Rubidium

Rubidium wurde erstmals 1861 von Gustav Robert Kirchhoff und Robert Wilhelm Bunsen beschrieben. Sie untersuchten Lepidolith aus Sachsen und trennten zunächst Calcium, Strontium, Magnesium und Lithium ab. Anschließend fällten sie den Rückstand mit Platinchlorid. In diesem waren zunächst nur Spektrallinien des Kaliums sichtbar. Nach mehrfacher Extraktion mit heißem Wasser zeigten sich jedoch bislang unbekannte Spektrallinien, die keinem bekannten Element zuzuordnen waren. Charakteristisch waren insbesondere zwei dunkelrote Linien. Nach diesen nannten Kirchhoff und Bunsen das neue Element Rubidium von lateinisch rubidus ‚tiefrot‘.^[16]

Um Rubidiumchlorid zu gewinnen, verarbeitete Bunsen 150 kg Lepidolith. Nach dem Abtrennen von Lithium und Erdalkalimetallen wurde der verbliebene Rückstand in Wasser gelöst und mit Platinchlorid als unlösliches Hexachloridoplatinat gefällt. Kalium konnte durch mehrmaliges Aufkochen in wenig Wasser entfernt werden. Anschließend wurde das Salz getrocknet, Platin mit Wasserstoff zum Element reduziert und das wasserlösliche Rubidiumchlorid ausgelaugt. Er konnte schließlich das Atomgewicht des Rubidiums bestimmen. Sein gemessener Wert von 85,36 liegt sehr nahe am tatsächlichen von 85,48.^[16]

Auch im Mineralwasser aus Dürkheim, in dem Bunsen und Kirchhoff zeitgleich das Caesium entdeckt hatten, fand sich Rubidium. Sie gewannen aus 44.200 kg Dürkheimer Solewasser 9,2 g Rubidiumchlorid und 7,2 kg Caesiumchlorid. Die Trennung der beiden Elemente erfolgte unter Ausnutzung der unterschiedlichen Löslichkeit der Carbonate in absolutem Ethanol, worin Caesiumcarbonat im Gegensatz zur entsprechenden Rubidiumverbindung löslich ist.^[16]

Die beiden Forscher konnten kein elementares Rubidium gewinnen, denn bei der Elektrolyse von geschmolzenem Rubidiumchlorid entstand anstelle des Metalls eine blaue Verbindung, die sie als Subchlorid bezeichneten, bei der es sich aber wahrscheinlich um eine kolloide Mischung von Rubidium und Rubidiumchlorid handelte.^[17] Bei der Elektrolyse einer wässrigen Lösung mit einer Quecksilberkathode bildete sich das leicht zersetzbare Rubidiumamalgam.^[16] Die Darstellung elementaren Rubidiums gelang Robert Bunsen 1863 durch Erhitzen von verkohltem Rubidiumtartrat und Abdestillieren des entstandenen Metalls. Sein gemessener Schmelzpunkt des Metalls lag bei 38,5 °C und damit weniger als ein Grad vom tatsächlichen Wert von 39,3 °C entfernt.^[18]

Technisch wurde Rubidium erstmals in den 1920er Jahren in Form von Rubidium-Photozellen in geringen Mengen eingesetzt.^[19] Ab den 1960ern wurden Rubidium-Atomuhren kommerziell verwendet.^[20] 1995 erzeugten Eric A. Cornell und Carl E. Wieman mit Rubidiumatomen das erste Bose-Einstein-Kondensat.^[21][22]

Mit einem Gehalt von 90 ppm in der kontinentalen Erdkruste^[23] ist Rubidium auf der Erde ein relativ seltenes Element. Aufgrund seiner hohen Reaktivität kommt es nicht elementar, sondern immer nur in Form von Verbindungen vor. Rubidium ist lithophil und kommt darum überwiegend in der Erdkruste vor, während der Erdkern kein Rubidium enthält.^[24]

Durch seinen großen Ionenradius ist Rubidium geochemisch ein inkompatibles Element (LILE), das sich vorwiegend in Gesteinsschmelzen anreichert. In Gesteinen kann es insbesondere Kalium ersetzen und findet sich darum vor allem in kaliumreichen Gesteinen wie Orthoklas oder Glimmer. Besonders hohe Gehalte von über 1000 ppm finden sich in Pegmatiten.^[24] Bestimmte Tonminerale wie Illit sind in der Lage, Rubidium anzureichern.^[25]

Da Rubidium gut wasserlöslich ist, befinden sich größere Mengen des Elementes im Meerwasser, der durchschnittliche Gehalt beträgt 0,12 ppm.^[24] Auch Salzseen enthalten zum Teil hohe Rubidiumkonzentrationen, so enthält der Saltonsee eine Konzentration von 137–169 mg/l, das Tote Meer 60 mg/l und der Chabyêr Caka in Tibet 50-60 mg/l Rubidium.^[26]

Einige Aluminosilikat-Minerale wie Lepidolith, Zinnwaldit, Pollucit und Spodumen enthalten Rubidium. Insbesondere Lepidolith mit bis zu 3,5 % und Pollucit mit bis zu 1,5 % besitzen größere Gehalte des Elements. Diese sind auch die wichtigsten Quellen für die Gewinnung von elementarem Rubidium und seiner Verbindungen.^[26] Dagegen sind nur wenige sehr seltene eigenständige Rubidiumminerale bekannt. Dazu gehört der Rubiklin (Rb(AlSi₃O₈)), der 1998 auf der Insel Elba gefunden wurde und strukturell dem Mikroklin entspricht, aber mehr Rubidium als Kalium enthält.^[27] Außer Rubiklin sind bisher mit Voloshinit (Rb(LiAl_1,5☐_0,5)(Al_0,5Si_3,5)O₁₀F₂) und Ramanit-(Rb) (RbB₅O₆(OH)₄·2H₂O) nur zwei weitere Minerale mit formelrelevantem Gehalt an Rubidium bekannt (Stand 2025).^[28][29]

Größere Vorkommen an rubidium-reichen Pegmatiten wurden in Afghanistan, Australien, Kanada, China, Dänemark, Deutschland, Japan, Kasachstan, Namibia, Peru, Russland, dem Vereinigten Königreich, den Vereinigten Staaten und Sambia gefunden. Genaue Zahlen zu Rubidium-Reserven sind nicht bekannt, die abbaubaren Mengen in Australien, Kanada, China und Namibia werden aus unter 200.000 Tonnen geschätzt.^[30]

Im Labor erfolgt die Darstellung kleiner Mengen reinen Rubidiums über die Reduktion des Chromats oder Dichromats mittels Zirconium:^[31][32]

${\displaystyle {\ce {Rb2Cr2O7 + 2 Zr -> 2 Rb + 2 ZrO2 + Cr2O3}}}$

oder die thermische Zersetzung von Rubidiumazid:^[33]

${\displaystyle {\ce {2 RbN3 -> 2 Rb + 3 N2}}}$

sowie anschließender Destillation im Hochvakuum.

Metallisches Rubidium kann außerdem durch Reduktion von Rubidiumchlorid mit Calcium im Vakuum hergestellt werden.^[1]

Wie die anderen Alkalimetalle ist Rubidium an der Luft unbeständig und oxidiert. Mit Wasser reagiert es äußerst heftig unter Bildung von Rubidiumhydroxid und Wasserstoff, der sich in der Luft in der Regel entzündet. Mit Quecksilber bildet es ein Amalgam, mit den Metallen Gold, Caesium, Natrium und Kalium ist es legierbar. Rubidium ist ein starkes Reduktionsmittel.

Rubidium hat zwei dunkelrote Spektrallinien (daher der Name des Elements).^[34]

Von den beiden natürlich vorkommenden Isotopen ist nur ⁸⁵Rb stabil, ⁸⁷Rb ist ein Betastrahler und zerfällt zu ⁸⁷Sr. Mit einer extrem langen Halbwertszeit von etwa 48 Milliarden Jahren ist seine Radioaktivität sehr gering.

Mehrere Isotope werden für bestimmte Anwendungen eingesetzt. Das Verhältnis von Rb- und Sr-Isotopen in Gesteinen wird zur radiometrischen Datierung auf kosmologischen Zeitskalen herangezogen.^[35] Für Zeitstandards werden ⁸⁷Rb und ⁸⁵Rb verwendet.^{[36] 82}Rb und ⁸⁶Rb werden zum Teil als Tracer verwendet.^[37][38]

Rubidium und seine Verbindungen besitzen ein nur kleines Anwendungsspektrum und werden hauptsächlich in der Forschung und Entwicklung eingesetzt.

Die wichtigste Anwendung von Rubidium ist in Rubidiumuhren (einer Art von Atomuhren)^[39], bei denen ein Hyperfein-Übergang von ⁸⁷Rb als Frequenzgeber dient. Solche Rubidiumuhren dienen insbesondere als Zeitgeber in den Satelliten des Global Positioning System (GPS)^[36] und anderer Satelliten-Navigationssysteme (Galileo, Glonass, BeiDou).^[40][41]

In der Medizin dient ⁸²Rb als Tracer in PET-Perfusionsstudien des Myokards.^[37][42]

Rubidium wird nicht in dekorativer Pyrotechnik verwendet, kommt aber in spezieller Pyrotechnik im militärischen Bereich zum Einsatz, zum Beispiel für Infrarot-Tarnnebel und Infrarot-Flares.^[43]

Zum Nachweis von Rubidium kann man seine rotviolette Flammenfärbung nutzen. Im Spektroskop zeigt sich eine deutliche Emissionslinie bei 780,0 nm.^[8] Quantitativ lässt sich dies in der Flammenphotometrie zur Bestimmung von Rubidiumspuren nutzen. In der Polarographie zeigt Rubidium eine reversible kathodische Stufe bei −2,118 V (gegen SCE). Dabei müssen als Grundelektrolyt quartäre Ammoniumverbindungen (hier beispielsweise 0,1 M Tetramethylammoniumhydroxid) verwendet werden, weil andere Alkali- oder Erdalkalimetallionen sehr ähnliche Halbstufenpotentiale besitzen.^[48]

Ein weiterer qualitativer Nachweis ist die Bildung eines schwerlöslichen Tripelsalzes in schwach saurer Lösung mit Natrium-, Bismut- und Nitritionen, die einen gelbgefärbten Niederschlag der Zusammensetzung RbNaBi(NO₂)₆ liefern, dessen Kristalle eine oktaedrische Form aufweisen. Die Nachweisgrenze liegt bei 0,5 mg Rubidium. Diese kann durch Verwendung von Silberionen anstelle der Natriumionen noch gesteigert werden, allerdings liefert Caesium eine ähnliche Reaktion.^[49]

Für Pflanzen ist Rubidium vermutlich nicht essentiell, bei Tieren scheint es für den normalen Verlauf der Trächtigkeit notwendig zu sein.^[50] Der Rubidiumbedarf des Menschen dürfte bei weniger als 100 µg pro Tag liegen. Mit der üblichen Mischkost kommt er auf etwa 1,7 mg am Tag. Ein Rubidiummangel ist bei diesem Angebot ebenso wenig zu erwarten wie eine nutritive Rubidiumbelastung. Tee und Kaffee – Arabica-Kaffee hat den höchsten Rubidium-Gehalt, der in Lebensmitteln festgestellt wurde (Arabica-Bohne: 25,5–182 mg/kg Trockensubstanz)^[51] – liefern Erwachsenen im Mittel 40 % der verzehrten Rubidiummenge. Rubidium wirkt im zentralen Nervensystem und beeinflusst dort die Konzentration von Neurotransmittern,^[52] wobei es die entgegengesetzte Wirkung zum Lithium hat.^[53] Ein therapeutischer Einsatz von Rubidium bei bipolarer Störung wurde im 20. Jahrhundert untersucht. Aus dieser Untersuchung ergab sich keine Empfehlung für einen breiten Einsatz zur Behandlung dieser Störung.^[54] Ein Rubidiummangel kann bei Dialysepatienten vorliegen.^[55][56]

Rubidium ist selbstentzündlich und reagiert äußerst heftig mit Wasser. Aus Sicherheitsgründen ist Rubidium in trockenem Mineralöl, im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre aufzubewahren.

Rubidium-Ionen sind nur in sehr großen Mengen gesundheitsschädlich.^[57]