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37. Rubidium (Rb): Das tiefrot leuchtende Element · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt,
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bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu
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produzieren. Kennst du schon unsere anderen
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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
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Wissensreise durch die Länder der Erde?
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Heute widmen wir uns einem Element, das die meisten
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Menschen noch nie bewusst wahrgenommen haben und das
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trotzdem in der modernen Technologie eine erstaunlich
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präzise Rolle spielt. Es ist ein weiches,
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silberglänzendes Metall, das bei Raumtemperatur kaum von anderen
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Alkalimetallen zu unterscheiden ist.
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Aber wenn man es in eine Flamme hält, offenbart es sein wahres
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Gesicht. Ein leuchtendes, tiefes
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Rotviolett, das ihm seinen Namen gegeben hat.
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Dieses Element heißt Robidium, sein chemisches Symbol ist RB,
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seine Ordnungszahl ist 37, und es gehört zur ersten Hauptgruppe
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des Periodensystems, der Gruppe der Alkalimetalle.
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Es ist das Zweitreaktivste, natürlich vorkommende
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Alkalimetall nach Cäsium. Reagiert heftig mit Wasser und
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selbst mit Luftfeuchtigkeit und muss deshalb stets unter
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Schutzgas oder in Mineralöl gelagert werden.
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Und doch ist Robidium eines der Elemente, die unsere
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Zeitrechnung buchstäblich präziser gemacht haben.
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Lass uns gemeinsam Eintauchen in das tiefrot leuchtende Element,
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in die Wissensreise durch Robidium der Name und das Licht.
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Beginnen wir dort, wo so viele Entdeckungen des 19 Jahrhunderts
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begannen, im Spektroskop das Jahr ist 1861 Robert Bunsen, der
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Erfinder des Bunsenbrenners und einer der bedeutendsten
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deutschen Chemiker des 19 Jahrhunderts, und Gustav Robert
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Kirchhoff, Physiker und Mitbegründer der Spektroskopie
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und. Untersuchen in Heidelberg
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systematisch die Spektren verschiedener Mineralwässer und
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Gesteine. Ihre Methode ist revolutionär,
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jedes Element, wenn es in einer Flamme erhitzt wird, gibt
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charakteristische Lichtfarben ab, ein einzigartiger
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Fingerabdruck aus Spektrallinien, der es erlaubt,
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Elemente selbst in winzigen Mengen zu identifizieren, die.
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Bei der Untersuchung des Mineralwassers aus Bad Dürkheim
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und später des Minerals Lepidolith stoßen sie auf 2
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intensive, tiefrote Spektrallinien, die zu keinem
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bekannten Element passen. Die Wellenlängen dieser Linien
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liegen bei 7180,0 und 794,8 Nanometern.
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Tief im roten Bereich des sichtbaren Lichts, nahe an der
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Grenze zum Infrarot. Bunsen und Kirchhoff benennen
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das neue Element nach diesen charakteristischen roten Linien
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Rubidium vom lateinischen rubidus, dunkelrot, tiefrot.
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Es war das zweite Element, das durch Spektroskopie entdeckt
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wurde. Nur wenige Wochen nach Cäsium,
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das Bunsen und Kirchhoff ebenfalls in diesem Jahr
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identifiziert hatten. Die Entdeckung der Spektroskopie
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und die daraus folgende Möglichkeit, Elemente durch ihre
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Lichtfingerabdrücke zu identifizieren, war eine der
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bedeutendsten analytischen Revolutionen der
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Chemiegeschichte. Sie ermöglichte nicht nur die
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Entdeckung neuer irdischer Elemente, sondern auch die
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Analyse der Zusammensetzung von Sternen.
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Galaxien und Nebeln Erkenntnisse, die bis heute die
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Grundlage der Astrophysik bilden.
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Physikalische und chemische Eigenschaften Rubidium ist bei
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Raumtemperatur ein weiches, silberglänzendes Metall.
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Es ist so weich, dass man es mit einem Messer schneiden kann,
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ähnlich wie Butter bei Kühlschranktemperatur.
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Der Schmelzpunkt liegt bei lediglich 39,3 Grad Celsius, was
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bedeutet, dass Robidium an einem sehr heißen Sommertag zu
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schmelzen beginnen würde. Der Siedepunkt liegt bei 688
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Grad Celsius, die Dichte von Robidium beträgt 1,53 Gramm pro
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Kubikzentimeter, es ist damit leichter als Wasser, was bei
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einem Metall ungewöhnlich ist. Zum Vergleich, Eisen hat eine
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Dichte von etwa 7,87 Gramm pro Kubikzentimeter Blei sogar 11,3.
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Diese geringe Dichte ist typisch für die Alkalimetalle, die alle
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leichter sind als die meisten anderen Metalle.
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Chemisch ist Robidium Hochreaktiv als Alkalimetall der
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ersten Hauptgruppe hat es ein einziges Valenzelektron in
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seiner äußersten Schale. Ein Elektron, das es äußerst
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bereitwillig abgibt. Diese Eigenschaft macht
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Alkalimetalle zu den reaktivsten Metallen des Periodensystems.
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Robidium reagiert mit Wasser unter heftiger Wärmeentwicklung
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und der Freisetzung von Wasserstoffgas.
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Die Reaktion ist so exotherm, dass der entstehende Wasserstoff
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sich selbst entzündet und verbrennt in Kontakt mit Luft
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oxidiert Robidium sofort. Und bildet eine gräuliche
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Oxidschicht. In seinen Verbindungen tritt
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Robidium fast ausschließlich als RB plus Ion auf, also als
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einfach positiv geladenes Ion, das sein einziges Valenzelektron
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abgegeben hat. Diese Verbindungen sind in der
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Regel gut wasserlöslich und farblos oder weiß.
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Robidium hat eine Ordnungszahl von 37 und eine relative
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Atommasse von etwa 85,47. In der Natur kommt es in 2
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Isotopen vor robidium 85 das stabile Isotop mit einem Anteil
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von etwa 72,2% und robidium 87, das mit einem Anteil von 27,8%
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vorkommt. Und schwach radioaktiv ist
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robidium 87 ist ein Beta Strahler mit einer Halbwertszeit
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von etwa 49 Milliarden Jahren, fast viermal länger als das
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Alter des Universums. Diese extrem langsame
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Zerfallsrate macht robidium 87 zu einem wertvollen Werkzeug der
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geologischen Altersbestimmung Robidium im Periodensystem.
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Die Alkalimetallfamilie Rubidium steht in der ersten Hauptgruppe
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Periode 5 des Periodensystems. Seine Nachbarn in der Gruppe
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sind oben Kalium k, Ordnungszahl 19 und unten Cäsium cs,
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Ordnungszahl 55. Diese Nachbarschaft ist
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aufschlussreich, die Alkalimetalle folgen einer sehr
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klaren Systematik. Mit steigender Ordnungszahl
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werden die Atome größer, die Reaktivität nimmt zu, der
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Schmelzpunkt sinkt und die Ionisierungsenergie, also die
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Energie, die benötigt wird, um das Valenzelektron abzureißen,
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nimmt ab. Rubidium ist deutlich reaktiver
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als sein leichteres Analogon Kalium, aber etwas weniger
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reaktiv als Caesium. Diese Abstufung folgt einer
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strengen chemischen Logik. Je größer das Atom, desto weiter
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ist das Valenzelektron vom Kern entfernt, desto schwächer hält
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es der Kern fest, desto leichter gibt es das Elektron ab, desto
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reaktiver ist das Element, die chemische Ähnlichkeit zwischen
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Rubidium und Kalium ist so ausgeprägt, dass lebende
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Organismen die beiden Elemente kaum unterscheiden können.
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Der menschliche Körper nimmt Robidium über die Nahrung auf,
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hauptsächlich über Obst, Gemüse und Fleisch, und behandelt es
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weitgehend wie Kalium. Es reichert sich bevorzugt in
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Geweben an, die viel Kalium enthalten, Muskeln, Leber und
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Gehirn der durchschnittliche menschliche Körper enthält etwa
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0,36 Gramm robidium, keine große Menge, aber messbar.
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Ein essentielles Element für den Menschen ist Rubidium jedoch
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nicht. Es gibt keine bekannte
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biochemische Funktion, die Rubidium als unersetzlichen
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Baustein nutzen würde. Vorkommen und Gewinnung rubidium
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ist kein seltenes Element. Mit einem durchschnittlichen
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Gehalt von etwa 90 Milligramm pro Kilogramm in der Erdkruste
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ist es das 23 häufigste Element überhaupt.
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Häufiger als Kupfer, Zink oder Nickel dass es trotzdem als
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selten gilt, liegt daran, dass es nirgendwo in konzentrierter
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Form als eigenständiges Mineral vorkommt.
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Es ist stets in winzigen Mengen in andere Minerale eingestreut,
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vor allem in Minerale, die eigentlich Kalium enthalten,
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weil Kalium und Robidium chemisch so ähnlich sind, dass
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das eine das andere im Kristallgitter ersetzen kann.
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Die wichtigsten artenatürlichen Quellen für Robidium sind das
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Mineral Lepidolit, ein Glimmer, der auch Lithium enthält, sowie
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Pollusit, ein Zeolith, der primär als Caesiumquelle dient,
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aber Robidium als Begleitmineral führt.
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Bedeutende Lagerstätten finden sich in Kanada insbesondere in
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der Bernic Lake Mine in Manitoba.
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Außerdem in Simbabwe, Namibia und in geringeren Mengen in
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Deutschland und der Tschechischen Republik.
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Die Gewinnung von Rubidium erfolgt meist als Nebenprodukt
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der Lithium oder Cäsiumgewinnung.
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Der Rohstoff wird zunächst aufgeschlossen, die
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verschiedenen Alkalimetalle werden durch chemische Fällung
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und Extraktion voneinander getrennt und schließlich wird
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reines Robidiummetall durch Reduktion seiner Verbindungen
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gewonnen, etwa durch Erhitzen von Robidiumchlorid mit
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Kalziummetall unter Vakuum. Die weltweite Jahresproduktion
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an Robidium liegt im einstelligen Tonnenbereich.
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Ein Spiegelbild seiner Nischenfunktion in der
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Industrie. Rubidiumuhren und die Kunst der
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Präzision. Hier beginnt der vielleicht
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faszinierendste Teil der rubidium Geschichte seine Rolle
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in der Zeitmessung. Atomuhren nutzen die Tatsache,
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dass Atome elektromagnetische Strahlung einer exakt
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definierten Frequenz absorbieren und emittieren.
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Wenn ihre Elektronen zwischen bestimmten Energieniveaus
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wechseln. Diese Frequenz ist für jedes
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Element charakteristisch, extrem stabil und unabhängig von
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äußeren Einflüssen wie Temperatur, Druck oder Alterung
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des Geräts. Sie ist damit ein idealer
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Taktgeber für eine Uhr. Rubidium Atomuhren nutzen den
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Übergang im Grundzustand des Rubidium 87 Atoms.
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Der bei einer Frequenz von exakt 6 Milliarden 834682006 10,904
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Hertz liegt also fast 77 Milliarden Schwingungen pro
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Sekunde. Eine Rubidiumuhr zählt diese
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Schwingungen und leitet daraus die Zeiteinheit ab.
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Rubidium Atomuhren sind nicht die präzisesten Atomuhren der
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Welt. Diese Auszeichnung gebührt
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Cäsium, Atomuhren und noch genauer optischen Gitteruhren
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mit Strontium oder Ötherbium. Doch robidium Atomuhren haben
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einen entscheidenden praktischen Vorteil, sie sind kompakt,
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robust, relativ günstig und schnell betriebsbereit, während
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Cäsium primär normale, die Größe eines Kleiderschranks haben
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können. Passen Rubidium Oszillatoren in
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ein Volumen von wenigen 100 Kubikzentimetern.
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Deshalb sind rubidium Atomuhren in einer Vielzahl praktischer
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Anwendungen unverzichtbar in GPS Satelliten, in
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Mobilfunkbasisstationen, in der Telekommunikationsinfrastruktur,
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in wissenschaftlichen Messgeräten und in militärischen
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Navigationssystemen. Jeder GPS Satellit der zweiten
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und dritten Generation trägt mehrere rubidium Atomuhren an
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Bord. Das Navigationssystem, das dir
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auf deinem Smartphone die Position auf wenige Meter genau
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anzeigt, verdankt seine Präzision unter anderem der
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Quantenmechanik des Rubidium 87 Atoms.
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Die Genauigkeit moderner rubidium Oszillatoren liegt
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typischerweise bei etwa 10 hoch -11 bis 10 hoch -12, also einem
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Fehler von einer Sekunde in etwa 300 bis 3000 Jahren.
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Das ist für die meisten Anwendungen mehr als ausreichend
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und wird durch periodischen Abgleich mit genaueren
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Primärnormalen auf noch höhere Präzision gebracht.
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Bose Einstein Kondensate Robidium am absoluten Nullpunkt
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im Jahr 1995 gelang an der University of Colorado in
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Boulder ein Experiment, das die Physikwelt elektrisierte und
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2001 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.
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Eric Cornell und Carl Wieman kühlten ein Gas aus Robidium 87
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Atomen auf eine Temperatur von etwa 170 Nano Kelvin ab.
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Das ist 170 milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt der
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kältesten theoretisch möglichen Temperatur bei dieser extremen
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Kälte trat etwas Außerordentliches ein.
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Die einzelnen rubidium Atome verloren ihre Individualität,
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anstatt sich wie eigenständige Teilchen zu verhalten,
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verschmolzen sie zu einem gemeinsamen Quantenzustand,
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einem sogenannten Bose Einstein Kondensat, kurz bec.
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Das Bose Einstein Kondensat war ein Zustand der Materie, den
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Albert Einstein und der indische Physiker Satyendranat Bose
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bereits in den 1920er Jahren theoretisch vorhergesagt hatten.
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Doch es hatte 70 Jahre gedauert, bis die Kühltechnologie weit
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genug fortgeschritten war, um die Vorhersage experimentell zu
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bestätigen. In einem beec verhalten sich
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alle Atome wie ein einziges Quantenobjekt beschrieben durch
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eine einzige Wellenfunktion. Quanteneffekte, die
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normalerweise nur auf der Ebene einzelner Atome sichtbar sind,
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werden in einem Bec Makroskopisch.
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Man kann sie mit dem bloßen Auge beobachten, ein Bec ist
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buchstäblich Quantenmechanik im sichtbaren Maßstab.
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Rubidium 87 eignet sich besonders gut für die Erzeugung
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von Bose Einstein kondensaten, weil es ein Boson ist, das
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heißt, sein Gesamtspin ist ganzzahlig was es nach den
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Regeln der Quantenstatistik erlaubt, dass beliebig viele
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Rubidiumatome denselben Quantenzustand besetzen.
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Diese Eigenschaft ist die Voraussetzung für die
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Kondensatbildung. BE cs aus Robidium werden heute
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in der Grundlagenforschung eingesetzt, um Quantenphänomene
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wie Supraleitung, Superfluidität und Quantenverschränkung in
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kontrollierten Umgebungen zu studieren.
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Sie sind auch ein vielversprechendes Werkzeug für
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die Entwicklung zukünftiger Quantencomputer und Hochpräziser
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Quantensensoren. Rubidium Strontium, Datierung,
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die Zeit in Gesteinen lesen, die schwache Radioaktivität von
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Rubidium 87 macht es zu einem wichtigen Werkzeug der
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Geochronologie der Wissenschaft, die das Alter von Gesteinen und
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Mineralien bestimmt rubidium. 87 zerfällt mit einer Halbwertszeit
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von 49,23 Milliarden Jahren zu Strontium 87, einem stabilen
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Isotop in einem Mineral, das beim Erstarren robidium, aber
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kein primäres Strontium 87 enthielt, reichert sich im Laufe
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der Zeit durch den Zerfall von Robidium 87 immer mehr Strontium
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87 an. Indem man das Verhältnis von
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rubidium 87 zu radiogenem Strontium 87 im heutigen Mineral
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misst, kann man berechnen, wie lange der Zerfall schon
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stattgefunden hat und damit das Alter des Minerals bestimmen die
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RB Sr Methode ist besonders nützlich für die Datierung von
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Magmatischen und metamorphen Gesteinen, die hunderte
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Millionen bis Milliarden Jahre alt sind.
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Sie hat maßgeblich dazu beigetragen, das Alter der
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Erdkruste, alter Gebirge und präkambrischer Gesteine zu
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bestimmen. Ein berühmtes Beispiel ist die
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Datierung von Gesteinen des grönländischen Schildes, die zu
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den ältesten bekannten Gesteinen der Erde gehören.
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Rb SR Datierungen haben hier Alter von bis zu 3,8 Milliarden
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Jahren ergeben. Auch Mondgestein, das von den
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Apollo Missionen mitgebracht wurde, wurde unter anderem mit
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der RB SR Methode datiert und lieferte entscheidende
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Erkenntnisse über die Entstehungsgeschichte des
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Mondes. Medizinische und biologische
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Aspekte Robidium hat in der Medizin eine bescheidene, aber
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interessante Geschichte, die. Aufgrund seiner chemischen
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Ähnlichkeit mit Kalium wurde es im späten 19 und frühen 20
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Jahrhundert als Beruhigungs und Schlafmittel eingesetzt, ähnlich
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wie Kaliumbromid, aber ohne die damit verbundene Promtoxizität.
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Diese Verwendung wurde jedoch mit der Entwicklung Wirksamerer
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und Sichererer Psychopharmaka wieder aufgegeben in.
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In der Nuklearmedizin wird das radioaktive Isotop Robidium 82
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eingesetzt. Es hat eine Halbwertszeit von
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nur 75 Sekunden und ist ein Positronenstrahler, was es für
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die Positronen Emissionstomographie, kurz PET,
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geeignet macht. Robidium 82 PET Scans werden zur
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Beurteilung der Herzperfusion eingesetzt.
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Da der Herzmuskel Robidium ähnlich wie Kalium aufnimmt,
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reichert sich das radioaktive Isotop in Durchbluteten
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Herzmuskelgeweben an, während schlecht durchblutete oder
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abgestorbene Bereiche einen Mangel zeigen.
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Diese Methode ist besonders nützlich zur Diagnose der
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koronaren Herzkrankheit und zur Beurteilung des Ausmaßes eines
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Herzinfarkts robidium 82. Wird durch den Zerfall von
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Strontium 82 in sogenannten Generatoren erzeugt der Patient
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oder die Patientin erhält kurz vor der Untersuchung frisch
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hergestelltes Rubidium 82, das sich rasch im Herzmuskel
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anreichert und dann mit einem Pet Scanner bildlich dargestellt
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wird. Die extrem kurze Halbwertszeit
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von 75 Sekunden ist dabei ein Vorteil.
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Die Strahlenbelastung für die untersuchte Person ist minimal,
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weil das Isotop so schnell zerfällt.
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Robidium in der Forschung Quantensensorik und die Zukunft
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über Atomuhren und Bose Einstein Kondensate hinaus spielt
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Robidium in einer weiteren zukunftsweisenden Technologie
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eine Rolle, der Quantensensorik. Quantensensoren nutzen die
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außergewöhnliche Empfindlichkeit von Quantensystemen gegenüber
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äußeren Einflüssen, um physikalische Größen mit bisher
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unerreichter Präzision zu messen.
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Robidiumatome werden in sogenannten Atominterferometern
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eingesetzt, Geräten, die die Wellennatur von Atomen nutzen.
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Um Beschleunigungen, Rotationen, Gravitationsfelder und
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elektromagnetische Felder zu messen, Atominterferometer auf
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Rubidiumbasis erreichen Empfindlichkeiten, die selbst
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die besten klassischen Sensoren übertreffen.
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Anwendungen umfassen hochpräzise Navigationssysteme, die ohne GPS
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Signal funktionieren die Suche nach dunkler Materie.
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Die Messung der Erdbeschleunigung für
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geologische Kartierungen und die Tests grundlegender
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physikalischer Theorien wie der Allgemeinen Relativitätstheorie.
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Besonders spannend ist der Einsatz von Rubidium
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Atominterferometern in der Geodäsie, die präzise Messung
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lokaler Gravitationsanomalien erlaubt es, unterirdische
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Strukturen wie Hohlräume, Wasserreservoire oder
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Erzlagerstätten zu kartieren. Ohne einen einzigen Spatenstich.
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Diese Technologie könnte revolutionäre Anwendungen in der
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Archäologie, im Bergbau und in der Hydrologie haben.
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Die Europäische Raumfahrtbehörde ESA und die NASA erforschen den
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Einsatz von Rubidium basierten Quantensensoren auf Satelliten,
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um die Schwerkraftfelder der Erde, des Mondes und anderer
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Himmelskörper mit bisher unerreichter Präzision zu
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kartieren. Ein kleines Element, eine große
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Verantwortung rubidium ist kein glamouröses Element.
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Es glänzt nicht wie Gold, es leuchtet nicht wie Phosphor, es
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hat keine jahrtausendealte Geschichte wie Eisen oder
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Kupfer, es ist ein unscheinbares, weiches Metall,
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das sofort reagiert, wenn man es der Luft aussetzt und das die
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meisten Menschen noch nie in Händen gehalten haben.
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Und doch steckt in diesem Element eine Geschichte, die von
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der Präzision menschlichen Denkens erzählt.
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Von Bunsen und Kirchhoff, die das Licht in seine Farben
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zerlegten und darin ein neues Element erkannten, von Cornell
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und Wieman, die robidium Atome fast bis auf den absoluten
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Nullpunkt abkühlten und dabei die Quantenmechanik sichtbar
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machten. Von den Ingenieurinnen und
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Ingenieuren, die winzige Rubidiumuhren in Satelliten
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einbauten, damit wir uns auf dieser Erde orientieren, können
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die Elemente des Periodensystems sind kein abstraktes
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Lehrbuchwissen, sie sind die Bausteine der Welt, in der wir
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leben, der Steine unter unseren Füßen, der Luft in unseren
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Lungen, der Technologie, in unseren Taschen.
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Robidium erinnert uns daran, dass selbst das Unscheinbare
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eine tiefe Bedeutung haben kann, wenn man genau hinschaut und
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genau hinzuschauen. Das ist auch das, was unsere
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Zeit verlangt, wenn es um diese Erde geht, die Erde, deren
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Gesteine Robidium enthalten und deren alter Robidium messen
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hilft, die Erde der. Deren Atmosphäre wir verändern,
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deren Ökosysteme wir belasten und deren demokratische
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Gesellschaften das einzige Werkzeug sind, das wir haben, um
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diesen Veränderungen koordiniert zu begegnen.
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Die Wissenschaft zeigt uns, was ist die Demokratie ermöglicht
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uns, gemeinsam zu entscheiden, was sein soll, beides zu
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schützen. Die Erde und die freien
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Gesellschaften, die auf ihr entstanden sind, ist keine
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sentimentale Geste. Es ist die Nüchternste und
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vernünftigste Konsequenz aus allem, was uns die Wissenschaft
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über diese Welt gelehrt hat. Das tiefrot leuchtende Element
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erinnert uns daran, Licht ist Information und Information ist
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Verantwortung. Das war die heutige Wissensreise
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durch das Periodensystem der Elemente.
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Ich hoffe das tiefrot leuchtende Rubidium hat dich ein wenig in
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Staunen versetzt über ein Element, das in GPS Satelliten
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die Zeit misst, in Quanten, laboren, Geschichte schreibt und
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in den Gesteinen der Erde die Zeit selbst bewahrt.
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Wenn dir diese Folge gefallen hat, hinterlasse bitte eine
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Bewertung. Jede Einzelne hilft uns, weitere
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Reisen durch das Periodensystem zu Unternehmen, bis zur nächsten
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Folge.