Rubidium

Grunddaten und Eigenschaften

Rubidium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Rb und der Ordnungszahl 37. Es steht in der 1. Hauptgruppe beziehungsweise der 1. IUPAC-Gruppe, gehört zu den Alkalimetallen und besitzt die Elektronenkonfiguration [Kr] 5s¹. Das Metall ist weich, silbrigweiß glänzend und entzündet sich bei Luftzutritt spontan.

Rubidium ist bei Standardbedingungen fest und kristallisiert kubisch raumzentriert. Seine Atommasse beträgt 85,4678(3) u, die Dichte 1,532 g/cm³ bei 20 °C. Es hat eine Mohshärte von 0,3, ist paramagnetisch und schmilzt bei 312,46 K (39,31 °C); der Siedepunkt liegt bei 960 K (687 °C). Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 7,52 · 10⁶ S·m⁻¹, die Wärmeleitfähigkeit 58 W·m⁻¹·K⁻¹.

Chemisch besitzt Rubidium vor allem die Oxidationsstufe +1, daneben ist auch −1 bekannt. Das Normalpotential des Redoxpaares Rb⁺/Rb beträgt −2,924 V. Mit einer Elektronegativität von 0,82 nach Pauling ist Rubidium ein starkes Reduktionsmittel. An der Luft oxidiert es. Mit Wasser reagiert es äußerst heftig zu Rubidiumhydroxid und Wasserstoff; der Wasserstoff entzündet sich in der Regel. Mit Quecksilber bildet Rubidium ein Amalgam und ist mit Gold, Caesium, Natrium und Kalium legierbar.

Für Rubidium sind zwei dunkelrote Spektrallinien charakteristisch. Diese Eigenschaft ist sowohl für die Entdeckung als auch für den Nachweis des Elements bedeutsam.

Entdeckung, Vorkommen und Darstellung

Rubidium wurde 1861 von Gustav Robert Kirchhoff und Robert Wilhelm Bunsen beschrieben. Sie untersuchten Lepidolith aus Sachsen und entdeckten bei der spektroskopischen Untersuchung zwei bislang unbekannte dunkelrote Linien. Bunsen gewann zunächst Rubidiumchlorid und bestimmte ein Atomgewicht von 85,36; der tatsächliche Wert liegt bei etwa 85,48. Elementares Rubidium stellte er 1863 durch Erhitzen von verkohltem Rubidiumtartrat und Abdestillieren des Metalls her. Technisch wurde Rubidium in den 1920er Jahren in kleinen Mengen für Rubidium-Photozellen eingesetzt; ab den 1960er Jahren wurden Rubidium-Atomuhren kommerziell verwendet.

Rubidium ist mit etwa 90 ppm in der kontinentalen Erdkruste ein relativ seltenes Element. Wegen seiner hohen Reaktivität kommt es nicht elementar, sondern nur in Verbindungen vor. Es ist lithophil und befindet sich überwiegend in der Erdkruste. Wegen seines großen Ionenradius ist es ein inkompatibles Element und reichert sich vor allem in Gesteinsschmelzen an. In kaliumreichen Gesteinen wie Orthoklas und Glimmer kann es Kalium ersetzen; Pegmatite können über 1000 ppm enthalten.

Im Meerwasser beträgt der durchschnittliche Gehalt 0,12 ppm. Hohe Konzentrationen besitzen unter anderem der Saltonsee mit 137–169 mg/l, das Tote Meer mit 60 mg/l und der Chabyêr Caka in Tibet mit 50–60 mg/l. Wichtige rubidiumhaltige Minerale sind Lepidolith, Zinnwaldit, Pollucit und Spodumen. Lepidolith enthält bis zu 3,5 %, Pollucit bis zu 1,5 % Rubidium. Das seltene Mineral Rubiklin mit der Formel Rb(AlSi₃O₈) wurde 1998 auf Elba gefunden. Weitere Minerale mit formelrelevantem Rubidiumgehalt sind Voloshinit und Ramanit-(Rb); der Artikel nennt diesen Stand für 2025. Rubidiumreiche Pegmatite wurden unter anderem in Afghanistan, Australien, Kanada, China, Dänemark, Deutschland, Japan, Kasachstan, Namibia, Peru, Russland, dem Vereinigten Königreich, den Vereinigten Staaten und Sambia gefunden. Genaue Reservenzahlen sind nicht bekannt.

Kleine Mengen reinen Rubidiums können im Labor durch Reduktion von Rubidiumchromat oder -dichromat mit Zirconium gewonnen werden: Rb₂Cr₂O₇ + 2 Zr → 2 Rb + 2 ZrO₂ + Cr₂O₃. Weitere Verfahren sind die thermische Zersetzung von Rubidiumazid, 2 RbN₃ → 2 Rb + 3 N₂, mit anschließender Destillation im Hochvakuum sowie die Reduktion von Rubidiumchlorid mit Calcium im Vakuum.

Isotope und Nachweis

Natürliches Rubidium besteht hauptsächlich aus den Isotopen ⁸⁵Rb und ⁸⁷Rb. ⁸⁵Rb ist mit einem Anteil von 72,168 % stabil. ⁸⁷Rb macht 27,835 % aus, ist ein Betastrahler und zerfällt zu ⁸⁷Sr. Seine Halbwertszeit beträgt 4,81 · 10¹⁰ Jahre beziehungsweise etwa 48 Milliarden Jahre, weshalb seine Radioaktivität sehr gering ist. Künstlich erzeugte Isotope sind unter anderem ⁸³Rb mit einer Halbwertszeit von 86,2 Tagen, ⁸⁴Rb mit 32,77 Tagen, ⁸⁶Rb mit 18,631 Tagen, ⁸⁸Rb mit 17,78 Minuten und ⁸⁹Rb mit 15,15 Minuten.

Das Verhältnis von Rubidium- und Strontium-Isotopen in Gesteinen wird zur radiometrischen Datierung auf kosmologischen Zeitskalen verwendet. ⁸⁷Rb und ⁸⁵Rb dienen außerdem für Zeitstandards; ⁸²Rb und ⁸⁶Rb werden teilweise als Tracer eingesetzt.

Qualitativ lässt sich Rubidium an seiner rotvioletten Flammenfärbung erkennen. Im Spektroskop erscheint eine deutliche Emissionslinie bei 780,0 nm. Mit der Flammenphotometrie können Rubidiumspuren quantitativ bestimmt werden. In der Polarographie zeigt Rubidium eine reversible kathodische Stufe bei −2,118 V gegen SCE. Als Grundelektrolyt muss beispielsweise 0,1 M Tetramethylammoniumhydroxid verwendet werden, da andere Alkali- oder Erdalkalimetallionen ähnliche Halbstufenpotentiale besitzen.

Ein weiterer Nachweis ist ein schwerlösliches, gelbes Tripelsalz in schwach saurer Lösung mit Natrium-, Bismut- und Nitritionen. Der Niederschlag hat die Zusammensetzung RbNaBi(NO₂)₆ und oktaedrische Kristalle. Die Nachweisgrenze liegt bei 0,5 mg Rubidium. Durch Silberionen anstelle der Natriumionen kann sie gesenkt werden; Caesium zeigt jedoch eine ähnliche Reaktion.

Verwendung und biologische Bedeutung

Rubidium und seine Verbindungen besitzen nur ein kleines Anwendungsspektrum und werden hauptsächlich in Forschung und Entwicklung eingesetzt. Die wichtigste Anwendung sind Rubidiumuhren, eine Art von Atomuhren. In ihnen dient ein Hyperfein-Übergang von ⁸⁷Rb als Frequenzgeber. Rubidiumuhren werden insbesondere als Zeitgeber in Satelliten des Global Positioning System (GPS) sowie in Satelliten-Navigationssystemen wie Galileo, Glonass und BeiDou verwendet.

Das Isotop ⁸²Rb wird in der Medizin als Tracer für PET-Perfusionsstudien des Myokards eingesetzt. Rubidium wird nicht in dekorativer Pyrotechnik, aber in spezieller militärischer Pyrotechnik verwendet, etwa für Infrarot-Tarnnebel und Infrarot-Flares.

Rubidium eignet sich zur Demonstration der Laserkühlung, weil für die relevanten Wellenlängen geeignete, kostengünstige Laserdioden verfügbar sind. Dadurch kann vergleichsweise einfach ein Bose-Einstein-Kondensat hergestellt werden. 1995 erzeugten Eric A. Cornell und Carl E. Wieman mit Rubidiumatomen das erste Bose-Einstein-Kondensat. Außerdem wird die Verwendung von Rubidium in Speichern für Quantencomputer erforscht. Natrium-Rubidium-Tartrat wurde 1951 zur ersten Aufklärung einer absoluten stereochemischen Konfiguration verwendet.

Für Pflanzen ist Rubidium vermutlich nicht essentiell. Bei Tieren scheint es für den normalen Verlauf der Trächtigkeit notwendig zu sein. Der menschliche Bedarf dürfte unter 100 µg pro Tag liegen, während mit üblicher Mischkost etwa 1,7 mg pro Tag aufgenommen werden. Tee und Kaffee liefern Erwachsenen im Mittel 40 % der aufgenommenen Rubidiummenge. Arabica-Kaffee besitzt mit 25,5–182 mg/kg Trockensubstanz den höchsten in Lebensmitteln festgestellten Rubidiumgehalt. Rubidium wirkt im zentralen Nervensystem und beeinflusst dort die Konzentration von Neurotransmittern; seine Wirkung ist derjenigen von Lithium entgegengesetzt. Ein therapeutischer Einsatz bei bipolarer Störung wurde im 20. Jahrhundert untersucht, führte aber zu keiner Empfehlung für eine breite Behandlung. Bei Dialysepatienten kann ein Rubidiummangel auftreten.

Sicherheit und wichtige Verbindungen

Rubidium ist selbstentzündlich und reagiert äußerst heftig mit Wasser. Es muss deshalb in trockenem Mineralöl, im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre aufbewahrt werden. Rubidium-Ionen sind erst in sehr großen Mengen gesundheitsschädlich.

Zu den Oxiden und Hydroxiden gehören Rubidiumoxid (Rb₂O), Rubidiumperoxid (Rb₂O₂), Rubidiumhyperoxid (RbO₂), Rubidiumozonid (RbO₃) und Rubidiumhydroxid (RbOH). Wichtige Halogenide sind Rubidiumfluorid (RbF), Rubidiumchlorid (RbCl), Rubidiumbromid (RbBr), Rubidiumiodid (RbI) und Rubidiumtriiodid (RbI₃).

Weitere im Artikel genannte Verbindungen sind Rubidiumnitrat (RbNO₃), Rubidiumsulfat (Rb₂SO₄), Rubidiumhydrogensulfat (RbHSO₄), Rubidiumchlorat (RbClO₃), Rubidiumperchlorat (RbClO₄), Rubidiumbromat (RbBrO₃), Rubidiumiodat (RbIO₃), Rubidiumperiodat (RbIO₄), Rubidiumchromat (Rb₂CrO₄), Rubidiumdichromat (Rb₂Cr₂O₇), Rubidiumcarbonat (Rb₂CO₃), Rubidiumhydrogencarbonat (RbHCO₃), Rubidiumdithionat (Rb₂S₂O₆), Rubidiumacetat (CH₃COORb), Rubidiumformiat (HCOORb), Rubidiumhydrid (RbH), Rubidiumamid (RbNH₂), Rubidiumazid (RbN₃) und Rubidiumselenid (Rb₂Se).