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7440-17-7 / 銣的用途與制備

背景及概述[1]

銣在周期表中位于第五周期ⅠA族,其為銀白色有金屬光澤,質軟,具有導電性。化學性質極活潑,在空氣中很快形成氧化層而失去光澤并自然生成深棕色的超氧化物RbO2。銣跟水劇烈反應并發生爆炸,跟溫度低于-100℃的冰也能發生劇烈的反應,生成氫氣和氫氧化銣,跟氫氣化合生成氫化銣。

用途[2-3]

銣金屬具有非常活潑的化學性質,可于空氣中自燃,因此,其生產、儲存和運輸過程要求嚴格,需采用液體石蠟、惰性氣體或真空條件等方式隔絕空氣,這種苛刻的存儲方法也制約了銣在某些領域的應用和開發。近十多年來,隨著國內科研院所的大量努力研究,以及對銣應用開發研究的不斷深入,銣在很多高科技領域也顯示出了廣闊的應用前景。以下是銣在傳統和高科技領域內的應用現狀。

1)能源

由于銣具有易離子化的特點,目前,其在熱離子轉換發電和磁流體發電等方面都具有極其重要的應用和發展。熱離子轉換發電技術的工作原理是利用二極真空管的原理把熱能直接轉化為電能。可減少電極的能量損失,提高發射極的電子發射效率,增加換流器的總能量輸出。另外一種新型發電技術就是磁流體發電技術。它與其他發電技術的區別之一是采用了含銣材料作為發電機的發電材料,可提高熱轉換效率。據統計,一般核電站的總熱效率僅為30%,但采用了含銣材料的磁流體發電機可使核電站總熱效率上升至60%。

2)特種玻璃

銣應用的主要市場之一為特種玻璃。含銣的特種玻璃已大量應用于通訊光纖和夜視設備。這類特種玻璃具備特殊性能的主要原因之一就是添加了碳酸銣,碳酸銣的添加可降低玻璃導電率、提高穩定性、增加使用壽命。

3)電子

由于銣原子失去電子很容易,普通可見光及光電磁輻射即可使銣原子釋放出自由電子。因此銣具備良好的光電特性、光化學活性、導熱性和導電性,所以銣及其化合物在電子領域中有非常獨特的作用。如銻化銣、碲化銣、銣銫銻合金等銣化合物其合金是光電池、原子鐘和光電倍增管等元器件的重要組成材料,也是紅外技術發展的必備材料。碘化銣銀則是目前已知離子型晶體中在室溫下電導率最高的電子導體。在常溫環境下,可作為如薄膜電池等固體電池的電解質。

4)醫學

銣的化合物如氯化銣及幾種常見銣鹽、碘化銣、銣放射性同位素等,在醫學方面有一定應用。典型的應用有:DNA和RNA超速離心分離、作為鎮靜劑和使用含砷藥品后的抗休克制劑、用作血流示蹤、取代碘化鉀用于治療甲狀腺腫大等方面的應用。

5)其他行業

銣及其化合物應用廣泛,除了上述領域外,還在以下領域有所應用:氯化銣常用作鈦、鈉、銥_J鎋_橧、鋯和過氯酸鹽的分析測試。銣與鈉、鉀、銫的合金可作為真空電子管中痕量氣體的吸附劑,去除真空系統中殘余氣體。87Rb衰變成86Sr的時間被廣泛應用于巖石和礦物年代的鑒定。硝酸銣可用于分析測試和環境控制分析中的放射性物質檢測等。氯化銣和碳酸銣是制備金屬銣以及其它銣鹽和同位素分離等的主要原料。銣及其銣鹽還用于一些有機化學的催化反應和陶瓷工業。金屬銣是制取銣單晶和高純銣鹽的原料。

制備[3]

銫榴石、鋰云母等固態礦中的伴生銣是工業上提取銣產品的主要原料,但其提取工藝過程較復雜、提取成本較高、能耗較大。而從鹵水中提取銣的工藝相對簡單,成本較低,耗能較少,是目前銣生產工業發展的主要研究方向。目前,從溶液中提取銣的方法主要有沉淀法、離子交換法和溶劑萃取法等。

1.沉淀法

銣離子能與某些陰離子反應產生沉淀,通過控制沉淀的條件,如濃度、酸度等可有效的分離銣與其他雜質,達到回收銣及銣鹽的目的。此方法可用于分析目的或粗產品的進一步提純,而鹽湖鹵水中銣的含量較低,因此從鹵水中提取銣的研究中很少應用沉淀法。各種沉淀劑的應用情況及特點如表。

銣的用途與制備

2.離子交換法

離子交換法具有工藝簡單,回收率較高,選擇性好的特點,是從鹵水等液態資源中提取銣的重要手段。近年來,對該法的研究,主要是開發新型的選擇性離子交換劑,特別是無機離子交換劑,具有選擇性好,抗輻射等優點,發展迅速。

無機離子交換劑

(1)天然(人造)沸石沸石是一種具有架狀結構的晶狀鋁硅酸鹽,有較大的孔體積和比表面積,離子交換性能極好。沸石有很多種,已發現的就有36種,其中天然的斜發沸石對某些金屬離子的交換能力強弱為:銣>鉀>鈉>鋇>鈣。

3. 溶劑萃取法

近年來,分離回收技術獲得快速發展,其中應用最廣、研究最多、研究進展最快的一種分離回收技術就是溶劑萃取法。該法既可用于含銣礦物銣的提取回收,也可用于含銣鹵水銣的提取回收,應用前景廣泛。其主要研究方向是對萃取劑的研究。目前,用于萃取法提取銣的主要試劑有酚醇、冠醚類試劑、二苦胺及其衍生物等。4-仲丁基-2-(a-甲芐基)苯酚和4-叔丁基-2-(a-甲芐基)苯酚是最多應用于萃取的酚類試劑。常用磺化煤油作稀釋劑。主要用于堿金屬的萃取分離過程中,堿金屬離子的萃取能力順序依次是:銫>銣>鉀>鈉>鋰。銣的萃取機理是銣與苯酚上的酸性質子的交換過程,其反應為:

銣的用途與制備

4.分步結晶分離法

分步結晶法是一種從含銣鋰云母或銫榴石等含銣礦物中提取銣及其化合物的工藝方法。其過程為:首先將含銣礦物中的銣以硫酸鹽形式提取進入溶液中,方法有兩種:一是用硫酸溶液浸出含銣礦物;二是用石膏等一起熔融銣礦物,再用熱水浸出。然后用重復分步結晶法,逐步分離和提純含銣硫酸鹽溶液,經過多次重復結晶得到產品純銣礬。最后進一步處理純銣礬得到純氫氧化銣,實現銣鉀或銣銫的分離。

主要參考資料

[1] 中學教師實用化學辭典

[2] 銣及其材料的應用與發展

[3] 銣的資源和應用及提取技術現狀

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