عنصر قلیایی چموش، روبیدیم

فکر می‌کنید عمر زمین، سیاره‌ای که رویش ساکنیم، چقدر باشد؟ متأسفانه شناسنامه‌ای برایش صادر نشده است، و خودش نیز، هم‌چون برخی زنانِ پا به سن گذاشته، سن خود را مخفی می‌کند. اما هر جا که رازی باشد کسانی هم پیدا می‌شوند که سعی در برملا کردن آن داشته باشند. چندین قرن است که بحث بر سرِ زمانِ پیدایش منزلگاه ما در عالم ادامه دارد. بر اساس مندرجات کتاب مقدس، زمین خیلی جوان است و در حدود شش هزاره‌ی پیش متولد شده است. اما علم جدید می‌گوید که عمر زمین در حدود 4500000 میلیون سال است. برخی از شوهدِ این مدعا از سنگ‌های باستانی به دست آمده است. تا چندی پیش می‌پنداشتند که گونه‌های سنگیِ کشف شده در ناحیه‌ی ترانسوال در افریقای جنوبی، قدیمی‌ترین سنگ‌های زمین‌اند. عمر این سنگ‌ها در حدود سه هزار و چهارصد تا سه هزار و پانصد میلیون سال براورد می‌شود. اما در سال 1966 میلادی، مک گریگور، دانشمند زلاتد نویی، در دهانه‌ی خلیج امرالیک در گرینلند، سنگ‌هایی را کشف کرد که دست کم پانصد میلیون سال مسن‌تر بودند. سن این سنگ‌ها را با روش معروف به ساعت روبیدیم-استرونسیم تعیین کردند. آیا این روش را می‌شناسید؟
در اوایل قرن بیستم، ارنست راذرفورد، فیزیک‌دان بزرگ انگلیسی، این نظر را مطرح کرد که عمر کانی‌ها و سنگ‌ها را می‌توان بر اساس پرتوزایی، پدیده‌ای که چند سال پیش از آن کشف شده بود، تعیین کرد. به عقیده‌ی او اتم‌های عناصر شیمیایی پرتوزا یا رادیواکتیوِ موجود در ماده‌ی سازنده‌ی زمین، همواره ذرات هسته‌ای گسیل می‌دارند و خود به اتم‌های سایر عنصرها تبدیل می‌شوند. خوش بختانه آهنگ انجام این تبدیل به دما یا فشار یا عوامل دیگر بستگی ندارد، بلکه هر عنصر پرتوزا، دوران نیمه عمر خاص خود را دارد. دوران نیمه عمر، مدت زمانی است که طی آن دقیقاً نیمی از یک مقدار عنصر پرتوزا، وامی‌پاشد. نیمه عمر بعضی از عنصرها از چند میلیونیم ثانیه تجاوز نمی‌کند، اما نیمه عمر برخی دیگر، سر به میلیاردها سال می‌زند. نیمه عمرِ یکی از این پیروپاتال‌ها، یعنی روبیدیمِ هشتاد و هفت (که سهم آن در ذخیره‌ی روبیدیم جهان بیست و هشت درصد است) به چهل و هشت هزار میلیون سال می‌رسد. این ایزوتوپ که خود به خود الکترون آزاد می‌کند، به کندی اما یقیناً، به ایزوتوپ پایدار استرونسیم با همان جرم اتمی هشتاد و هفت تبدیل می‌شود که دیگر در معرض واپاشی نیست. چون نسبت استاندارد این ایزوتوپ به خویشاوندانِ نزدیکش، یعنی ایزوتوپ‌های هشتاد و هشت، هشتاد و شش، و هشتاد و چهار، معلوم است به آسانی می‌توان تعداد اضافی استرونسیم هشتاد و هفت موجود در هر سنگ مورد نظر را، که درنتیجه‌ی واپاشی روبیدیم هشتاد و هفت پدید آمده است، برآورد کرد. پس از معلوم شدن مقدار ماده‌ی منبع پرتو، می‌توان طول مدت انجام فرایند تبدیل، و درنتیجه عمر سنگ را تعیین کرد.
ضمن این که ایزوتوپ‌های روبیدیم و استرونسیم به دانشمندان امکان داده‌اند تا عمر سنگ‌های ماقبل تاریخ را در گرینلند تعیین کنند ، همین زوج آن‌ها را متقاعد کرده‌اند که مرتفع‌ترین رشته کوه، هیمالیا، بسیار جوان‌تر از آن است که پیش از این پنداشته می‌شد. تا مدت‌ها دیدگاه علمی کلی این بود که کوهستان‌های آسیای مرکزی، صدها میلیون سال پیش پدید آمده‌اند. اما در سالیان اخیر، دانشمندان ژاپنی که با استفاده از ساعت روبیدیم-استرونسیم، نمونه‌ای سنگ هیمالیا را به دقت مطالعه کرده بودند، نادرست بودن این فکر را ثابت کردند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که منطقه‌ی هیمالیا دو بار در معرض شدیدترین تراکم زمین شناختی قرار گرفته است. نخستین بار در چها رصد و پنجاه تا پانصد میلیون سال پیش که در نتیجه‌ی آن، ساختار قاعده‌ی کوه‌های هیمالیا پدید آمد، و بار دوم فقط پانزده میلیون سال پیش که به پیدایش مرتفع‌ترین کوهستان زمین انجامید. روش‌های دیگرِ تعیین عمر سنگ‌ها عبارتند از روش رادیو کربن، اورانیم-هلیم، اورانیم-سرب، پتاسیوم-آرگون، و چند روش دیگر. اما باید خاطر نشان کرد که ساعت روبیدیم-استرونسیم بهترین روش برای اندازه‌ گیری زمان‌های بسیار طولانی است.
دیدیم که به کمک روبیدیم می‌توان عمر تقریبی سیاره‌ی زمین را تعیین کرد. اما آیا می‌دانید از زمان کشف خودِ روبیدیم چقدر می‌گذرد؟ پاسخ این پرسش روشن است.

روبیدیم را دو دانشمند برجسته‌ی آلمانی، رابرت بونزن شیمی‌دان و گوستاف کریشهوف فیزیک‌دان، در سال 1861 میلادی کشف کردند. آن‌ها پیش از این کشف، روش تحلیل طیفی را در سال 1859 میلادی ابداع کردند، و یک سال پس از آن موفق به کشف سزیم شدند. آن‌ها در ادامه‌ی بررسی طیف کانی‌ها، دو خط نا آشنا به رنگ قرمز تیره را در طیف لپیدولیت (نوعی کیکای بلورین حاوی لیتیم) ساکسونی یافتند. این بدان معنی بود که کانی مورد بررسی حاوی عنصر جدیدی است. آن‌ها این عنصر جدید را روبیدیم نامیدند (که مشتق از واژه‌ی لاتینی روبیدیوس به معنای قرمز تیره است). نام انگلیسی یاقوت (روبی) نیز از همین واژه‌ی لاتینی اقتباس شده است. اما در حالی که یاقوت واقعاً قرمز رنگ است روبیدیم مانند اغلب فلزها، رنگ سفید نقره‌ای دارد. این فلز، بسیار سبک (حتی سبک‌تر از منیزیم)، و چون موم نرم است. استفاده از روبیدیم در مناطق گرمسیر توصیه نمی‌شود زیرا در دمای سی و هشت ممیز نه درجه‌ی سلسیوس ذوب می‌شود و بنابراین در چنین مناطقی در جلوی چشم انسان تبدیل به مایع می‌شود. برای تکمیل توصیف مختصر خود از روبیدیم، یکی دیگر از ویژگی‌های ممیزه‌ی آن را ذکر می‌کنیم: بخار ترکیب‌های روبیدیم، به شعله‌ی چراغ ته رنگ ارغوانی می‌دهد.
بونزن نخستین کسی بود که در سال 1863 میلادی به فلز روبیدیم دست یافت. او به راستی هفت خوان را پشت سر گذاشت: او ناگزیر بود دریاچه‌ای (یعنی بیش از چهل متر مکعب از آب معدنی شوارتس والت که عنصر جدید در آن کشف شده بود) را تبخیر کند. اما این تازه آغاز کار بود. او از محلول غلیظ شده‌ی آب معدنی، رسوبی از پلاتینی کلریدهای پتاسیم، سزیم و روبیدیم به دست آورد. گام بعدی، جدا کردن این سه یار جدایی ناپذیر بود. بونزن با استفاده از حلالیت بیش‌تر ترکیب‌های پتاسیم، نخست به روش تبلور جزء به جزء مکرر پتاسیم را جدا کرد. جدا کردن سزیم و روبیدیم از این هم دشوارتر بود. بونزن این مسأله را هم حل کرد و سرانجام از طریق احیای اسید تارتارات روبیدیم با دوده‌ی کربن، فلز روبیدیم را به دست آورد.
بیست و پنج سال بعد، شیمی‌دان نامدار روسی، نیکلای بکتوف، استخراج روبیدیم از طریق احیای هیدروکسید آن با گرد آلومینیم را پیشنهاد کرد. در این فرایند، او از استوانه‌ای چدنی، مجهز به یک لوله‌ی گاز مرتبط با خنک کن شیشه‌ای استفاده کرد. استوانه را بر روی شعله‌ی گاز گرما داد، در نتیجه واکنشی پرتلاطم روی داد که با آزاد شدن هیدروژن و تصعید روبیدیم و ورود آن به خنک کن همراه بود. بکتوف نوشت که روبیدیم به کندی تصعید، و هم‌چون جیوه روان می‌شود. و چون در حین انجام واکنش، ظرف از گاز هیدروژن پر می‌شود، جلای فلزی خود را حفظ می‌کند. امروزه این فلز را عمدتاً از کلرید آن، و به کمک فلز کلسیم در خلأ، در دمای بین هفت‌صد تا هشت‌صد درجه‌ی سلسیوس، استخراج می‌کنند. استخراج روبیدیم خالص از ترکیب‌های آن دشوار است، اما نگهداری این فلز، دشوارتر است. فلز تازه را در لوله‌های درزبندی شده‌ای از جنس شیشه‌ی مخصوص، تحت خلأ یا پر شده از گازی بی‌اثر، نگهداری می‌کنند. گاهی اوقات، سلولِ محل نگهداری روبیدیم، ظرفی فلزی است که با نفتِ آب‌گیری شده یا با پارافین پر شده است. تنها در چنین شرایطی می‌توان مطمئن شد که فلز مدتی طولانی دوام می‌آورد. این همه احتیاط برای چیست؟
ماجرا از این قرار است که این زندانی، ذاتاً بسیار سرکش است. آزاد کردن آن از حبس به همان اندازه خطرناک است که آزاد کردن غولی شریر از بطری. در خانواده‌ی فلزها، روبیدیم از لحاظ فعالیت، تنها از برادر بزرگ‌ترش، سزیم، عقب‌تر است. به محض آن که روبیدیم آزاد شود، یعنی با هوا تماس پیدا کند، فوراً مشتعل می‌شود و با یک شعله‌ی ارغوانی مایل به صورتی می‌سوزد و به صورت گردی زرد رنگ – سوپروکسید روبیدیم – درمی‌آید. این آتش را نباید با آب خاموش کرد: روبیدیم با آب، شدیدتر واکنش می‌کند و بیم انفجار نیز می‌رود؛ هیدروژن تفکیک شده از اکسیژن نیز فوراً شعله می‌کشد. علاوه بر این، روبیدیم در برابر حالت فیزیکی آب بی تفاوت است: با یخ نیز هم‌چون آب برخورد می‌کند. روبیدیم هم‌چون کلنگ معدن‌کاران لایه‌ای از بلورهای یخ را می‌شکافد و تنها سرمای زمهریر (زیر منفی صد و هشت درجه‌ی سلسیوس) این آشوبگر را تسکین می‌دهد. هیدروکسید روبیدیم، که محصول این واکنش است، برای نشان دادن خوی سرکش خود شتاب دارد: اگر آن را در ظرفی شیشه‌ای قرار دهید به زودی ظرف را از بین می‌برد. در دماهای زیاد (سی‌صد درجه‌ی سلسیوس و بیش‌تر) فلز روبیدیم نیز به سرعت ظرف شیشه‌ای را می‌خورد و سیلیسیم را بی‌شرمانه از اکسید سیلیسیم و سیلیکات‌ها جدا می‌کند. به همین سبب، روبیدیم را باید در لوله‌هایی از جنس شیشه‌ی مخصوص مهار کرد، لوله‌هایی که می‌توانند از خود دفاع کرده در برابر روبیدیم مقاومت کنند.
رفتار شیمیاییِ وحشیانه‌ی روبیدیم از ساختار اتمی آن ناشی می‌شود. هم‌چون در دیگر فلزات قلیایی، در دورترین لایه‌ی الکترونی روبیدیم، تنها یک الکترون وجود دارد. فاصله‌ی این الکترون تا هسته، از فاصله‌ی الکترون‌های نظیر در اتم‌های لیتیم، سدیم یا پتاسیم بیش‌تر است، به همین سبب به آسانی جذب اتم‌های سایر مواد می‌شود (تنها اتم‌های سزیم، الکترون‌های خود را راحت‌تر از دست می‌دهند). روبیدیم در برابر نور نیز الکترون از دست می‌دهد. این ویژگی که اثر فوتونی نام دارد مشخصه‌ی بسیاری از فلزات است، اما هیچ‌یک از آن‌ها نمی‌توانند با روبیدیم و سزیم در این زمینه رقابت کنند. اگر چه امروزه سزیم یکه تاز عرصه‌ی اثر فوتونی است و در فوتوسِل‌ها و دیگر وسایل فوتوالکتریکی به کار می‌رود، اما به احتمال بسیار زیاد، روبیدیم در فرصت مناسب سزیم را از میدان به در می‌کند: ذخیره‌ی این عنصر در طبیعت پنجاه برابر ذخیره‌ی سزیم است، و این نکته دیر یا زود به یاری روبیدیم می‌شتابد. به علاوه، برخی از آلیاژهای روبیدیم (مثلآً همراه با تلوریم)، به سبب حساسیت شدید نوری در منطقه‌ی فرابنفش طیف، در مقایسه با آلیاژهای متناظر با سزیم، ویژه هستند. هرگاه بخواهیم ماده‌ای برای کاتُد فوتوالکتریک انتخاب کنیم، توجه به این نکته بسیار اهمیت می‌یابد.
شیمی آلی، عرصه‌ی مهم دیگری برای کاربرد روبیدیم است. در شیمی آلی از نمک‌های این فلز به عنوان کاتالیزور استفاده می‌شود. حتی بیش از هفتاد سال پیش، از کربنات روبیدیم، در تولید روغن مصنوعی استفاده می‌شد. امروزه استفاده از این ماده در تولید متانول و سایر الکل‌ها، و نیز استیرن و بوتادین، که مواد اصلی مورد نیاز در تولید لاستیک مصنوعی‌اند، اجتناب ناپذیر است. در این اواخر، کاتالیزورهایی روبیدیمی برای هیدروژن دهی، آب‌گیری، پلیمر کردن و برخی دیگر از واکنش‌های ترکیبی شیمی آلی ساخته شده است. با استفاده از این‌گونه کاتالیزورها به جای ترکیب‌های سدیم یا پتاسیم، می‌توان واکنش را در دما و فشار کم‌تری انجام داد. برتری دیگرِِ کاتالیزورهای روبیدیمی در این است که آن‌ها در برابر گوگرد، بلای جان بسیاری از کاتالیزورها، آسیب ناپذیرند. شیمی‌دان‌های امریکایی ثابت کرده‌اند که تارتارات روبیدیم بر اکسایش دوده‌ی کربن اثر کاتالیزوری دارد، و دمای این واکنش را به شدت کاهش می‌دهد. بعضی‌ها ممکن است از سرِ تمسخر بگویند دست مریزاد، اما دانشمندان که در جستجوی انواع جدید سوخت‌های فضایی‌اند به گونه‌ای دیگر فکر می‌کنند و به احتمال زیاد حق با آن‌هاست. بعضی از ترکیب‌های روبیدیم ویژگی‌های نیمه رسانایی و بعضی دیگر ویژگی‌های پیزوالکتریکی (پارابرقی) دارند. اما در حال حاضر این ویژگی‌ها تازه نظر دانشمندان و مهندسان را به خود جلب کرده‌اند.
شاید متوجه این نکته شده باشید که تاکنون بیش‌تر درباره‌ی کاربردهای بالقوه‌ی روبیدیم سخن گفته‌ایم نه کاربردهای بالفعل آن در تکنولوژی مدرن. و به راستی هنوز مرحله‌ای نرسیده است که این فلز به خود حق دهد که مدعی نقشِ زحمت کشان کبیری هم‌چون آهن، آلومینیم، مس، و تیتانیم شود. به میزانِ تولید سالانه‌ی روبیدیم توجه کنید: اگر تولید سالانه‌ی همه‌ی کشورهای تولید کننده‌ی روبیدیم را روی هم بریزیم به زحمت چند ده کیلوگرم می‌شود، به همین سبب، قیمت این فلز در بازار بین المللی بسیار بالاست. گذشته از کاربردهایی که ذکر کردیم، مقدار ناچیزی از ترکیب‌های روبیدیم، در شیمیِ تجزیه و به منظور شناسایی منگنز، زیرکونیم و فلزهای نجیب مصرف می‌شود. روبیدیم در داروهای خواب آور و مسکن، و نیز در مداوای بیماری صرع به کار می‌رود. نمک‌های روبیدیم بخشی از مواد ویژه‌ای را تشکیل می‌دهند که در دستگاه‌های نوری به کار می‌روند و در برابر پرتو فروسرخ شفاف‌اند. این مواد در تولید لامپ‌های درخششی و سایر لامپ‌های پرتو کاتدی اهمیت به سزا دارند. روبیدیم در بعضی از دستگاه‌های تحت خلأ نقش ماده‌ی جاذب گاز را بازی می‌کند و در مغناطیس سنج و معیارهای سنجش زمان و بسامد (فرکانس) نقش ماده‌ی معروف به ماده‌ی فعال را دارد. چندین سال پیش، یک شرکت مهندسی برق در آلمان، با استفاده از روبیدیم، دستگاهی برای تنظیم کار ساعت‌های قدیمی، که زینت بخش بسیاری از شهرهای اروپا هستند، ساخت. این مکانیسم‌های زمخت قرون وسطایی، که به سببِ طنین دل‌نشین زنگ‌هایشان بسیار تحسین می‌شوند، به عنوان ساعت، اصلاً قابل اطمینان نیستند. این دستگاه جدید – با یک معیار بسامد اتمی – دقت گردش این ساعت‌ها را (تا چند صدم ثانیه در هر بیست و چهار ساعت) تضمین می‌کند. در فیزیک هسته‌ای، مهندسی لیزر و ناوبری فضایی، که در بعضی موارد، انحراف زمان سنجی نباید از چند میلیونم ثانیه در هر بیست و چهار ساعت تجاوز کند، به دقتِ باز هم بیش‌تری نیاز است. این کار به کمک ساعتی اتمی که با ایزوتوپ روبیدیم کار می‌کند عملی است. اصولِ نظریِ کارِ چنین ساعت‌هایی این است که اتم‌های هر عنصر شیمیایی، تنها با بسامدهای خاص، که برای هر عنصر مقداری ثابت است و فقط به ساختار اتمی آن بستگی دارد، انرژی جذب یا پخش می‌کنند. بنابراین، ساعت اتمی یا کوانتومی از هر ساعت دیگری، حتی از ساعت‌هایی که با بلور کوارتز کار می‌کنند و در آن‌ها نقش آونگ را ارتعاشات کشسان صفحه‌ای کوارتزی به عهده دارد، چندین برابر دقیق‌تر است. ساعت اتمی چنان دقیق است که اگر در آغاز قرن اول میلادی، آن را تنظیم می‌کردیم، اکنون بیش از یک ثانیه عقب یا جلو نبود.

با قاطعیت می‌توان گفت که در سال‌های آینده، کاربردهای روبیدیم بسیار گسترش خواهد یافت. این بدان معناست که تولید این فلز نیز باید افزایش یابد. میزان ذخایر روبیدیم کافی، و از میزان ذخایر کروم، روی، نیکل، مس و سرب افزون‌تر است. بلی، درست است؛ مشکل از آن‌جا ناشی می‌شود که روبیدیم جزء عنصرهای ناچیز است: این عنصر اگرچه در بسیاری از سنگ‌ها یافت می‌شود، اما معدنی از آنِ خود ندارد، چه برسد به این‌که به صورت کان‌سازی بزرگ پیدا شود. معمولاً روبیدیم با فلزات قلیایی همراه است و از پتاسیم جدایی ناپذیر است. گذشته از لپیدولیت که ذکر آن رفت، روبیدیم در کارنالیت (کلرید پتاسیم و منیزیم) نیز به مقدار بسیار ناچیز (از صدم تا دهم درصد) وجود دارد و همراه با سایر عنصرها از این کانی استخراج می‌شود. چون ذخایر کارنالیت عملاً پایان ناپذیر است، به نظر می‌رسد که این کانی مهم‌ترین منبع برای استخراج روبیدیم باشد.
در قرن پانزدهم میلادی، در دلِ جنگل‌های انبوهِ اورال، شهری به نام سُل کامسکایا (نمک رودخانه‌ی کاما) بنا شد که امروزه سُلپکاسک نام دارد و مرکز عمده‌ی صنایع شیمیایی است. در این ناحیه غنی‌ترین ذخایر کارنالیت، سیلوینیت (کلرید پتاسیم) و سایر نمک‌ها پتاسیم یافت می‌شود. سیلوینیت به مرمر می‌ماند و به رنگ‌های گوناگون، هم‌چون سفید برفی یا قوس قزحی، از صورتی کم‌رنگ تا سرخ، یا از آبی کم‌رنگ تا نیلی، دیده می‌شود. این کانی در میان بلورهای شفاف و بی‌رنگ کلرید سدیم (نمک طعام)، که گاهی به صورت مکعب‌های سیاه نیز پیدا می‌شوند، پراکنده است. می‌دانید چرا نمک طعام سیاه می‌شود؟ بلورهای سیاه، کارتِ ویزیتِ روبیدیم هشتاد و هفت به شمار می‌روند، ایزوتوپ پرتوزایی که زمانی بر کلرید سدیم پرتو افشانده است.
نمک‌های روبیدیم در آب اقیانوس‌ها، دریاها و دریاچه‌ها یافت می‌شوند. مقدار قابل توجهی از این نمک‌ها در آب کولاب معروف اُدسا در دریای سیاه حل شده است، اما غلظت آن‌ها در دریای خزر از این هم بیش‌تر است. در بسیاری از گونه‌های گیاهی، علف دریایی، تنباکو، برگ چای و دانه‌ی قهوه، نی‌شکر و چغندر قند، انگورها و بعضی از مرکبات نیز مقدار ناچیزی روبیدیم وجود دارد. سرگذشت روبیدیم را با یک شوخی به پایان می‌رسانیم. چندین سال پیش، عنوان موفق‌ترین مقاله‌ی هر روزنامه چنین بود: «مراقب آقایان باشید.» حال بر اساس مندرجات دایرة المعارف‌های بزرگ، نه تنها باید مراقب آقایان بود بلکه باید آن‌ها را در گاو صندوق نگهداری کرد: مقدار روبیدیم در خون آقایان بیش‌تر از روبیدیم در خون خانم‌هاست (خون آقایان سی و دو ده هزارم درصد و خون خان‌ها بیست و هشت ده هزارم درصد، روبیدیم دارد).