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Rubidium

chemisches Element mit dem Symbol Rb und der Ordnungszahl 37

Rubidium (von lateinisch rubidus ‚tiefrot‘; wegen zweier charakteristischer roter Spektrallinien) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Rb und der Ordnungszahl 37. Im Periodensystem steht es in der 1. Hauptgruppe, bzw. der 1. IUPAC-Gruppe und zählt zu den Alkalimetallen. Das weiche, silbrigweiß glänzende Metall entzündet sich spontan bei Luftzutritt.

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Rubidium, Rb, 37
Elementkategorie Alkalimetalle
Gruppe, Periode, Block 1, 5, s
Aussehen silbrig weiß
CAS-Nummer

7440-17-7

EG-Nummer 231-126-6
ECHA-InfoCard 100.028.296
Massenanteil an der Erdhülle 29 ppm (31. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse 85,4678(3)[3] u
Atomradius (berechnet) 235 (265) pm
Kovalenter Radius 220 pm
Van-der-Waals-Radius 303[4] pm
Elektronenkonfiguration [Kr] 5s1
1. Ionisierungsenergie 4.1771280(12) eV[5] ≈ 403.03 kJ/mol[6]
2. Ionisierungsenergie 27.28954(6) eV[5] ≈ 2633.04 kJ/mol[6]
3. Ionisierungsenergie 39.247(3) eV[5] ≈ 3786.8 kJ/mol[6]
4. Ionisierungsenergie 52.20(25) eV[5] ≈ 5037 kJ/mol[6]
5. Ionisierungsenergie 68.44(15) eV[5] ≈ 6603 kJ/mol[6]
Physikalisch[2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch raumzentriert
Dichte 1,532 g/cm3 (20 °C)[7]
Mohshärte 0,3
Magnetismus paramagnetisch (χm = 3,8 · 10−6)[8]
Schmelzpunkt 312,46 K (39,31 °C)
Siedepunkt 961,2 K[9] (688 °C)
Molares Volumen 55,76 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 69 kJ/mol[9]
Schmelzenthalpie 2,19 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 1300 m·s−1 bei 293,15 K
Austrittsarbeit 2,16 eV[10]
Elektrische Leitfähigkeit 7,52 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 58 W·m−1·K−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände −1, +1
Normalpotential −2,924 V (Rb+ + e− → Rb)
Elektronegativität 0,82 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
83Rb {syn.} 86,2 d ε 0,910 83Kr
84Rb {syn.} 32,77 d ε 2,681 84Kr
β− 0,894 84Sr
85Rb 72,168 % Stabil
86Rb {syn.} 18,631 d β− 1,775 86Sr
87Rb 27,835 % 4,81 · 1010 a.[11] β− 0,283 87Sr
88Rb {syn.} 17,78 min β− 5,316 88Sr
89Rb {syn.} 15,15 min β− 4,501 89Sr
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin-
Quanten-
zahl I 		γ in
rad·T−1·s−1 		Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
85Rb 5/2 2,583 · 107 0,0105 19,3
87Rb 3/2 8,753 · 107 0,175 65,4
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[12]
Gefahrensymbol Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 260​‐​314
EUH: 014
P: 223​‐​231+232​‐​280​‐​305+351+338​‐​370+378​‐​422[12]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Geschichte

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Rubidium wurde 1861 von Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Kirchhoff spektroskopisch als ein geringer (<1 %) Bestandteil von Lepidolith aus Sachsen bzw. aus Mähren entdeckt, sowie als Bestandteil im Mineralwasser der neu erschlossenen Maxquelle in Bad Dürkheim. Bunsen gelang es, Rubidiumsalze sowohl aus dem aufgeschlossenen Lepidolith als auch aus Mineralwassersole zu fällen und es von anderen Alkalimetallsalzen zu trennen. Dazu verarbeitete Bunsen 150 kg aufgeschlossenen Lepidolith, um wenige Gramm RbCl zu isolieren, und 44200 Liter Dürkheimer Quellwasser für 9 g RbCl.[13]

Vorkommen

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Rubidium gehört zur Gruppe der inkompatiblen Elemente und tritt in der Regel zusammen mit diesen in erhöhten Konzentrationen auf.[14] Das Element kommt in kleiner Konzentration in einigen Mineralien wie Pollucit und Zinnwaldit vor.[15] Lepidolith (bis zu 1,5 %) und Leucit enthalten ebenfalls Rubidium.

Erst in den letzten Jahren wurden auch eigenständige Rubidium-Minerale entdeckt. 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.[16] Außer Rubiklin sind bisher mit Voloshinit (Rb(LiAl1,5☐0,5)(Al0,5Si3,5)O10F2) und Ramanit-(Rb) (RbB5O6(OH)4·2H2O) nur zwei weitere Minerale mit formelrelevantem Gehalt an Rubidium bekannt (2023).[17][18]

Darstellung

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1 g Rubidium in einer Ampulle

Im Labor erfolgt die Darstellung kleiner Mengen reinen Rubidiums über die Reduktion des Chromats oder Dichromats mittels Zirconium:[19][20]

 

oder die thermische Zersetzung von Rubidiumazid:[21]

 

sowie anschließender Destillation im Hochvakuum.

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

Eigenschaften

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Die Flammenfärbung von Rubidium

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).[22]

Isotope

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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.[23] Für Zeitstandards werden 87Rb und 85Rb verwendet.[24] 82Rb und 86Rb werden zum Teil als Tracer verwendet.[25][26]

Verwendung

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

Die wichtigste Anwendung von Rubidium ist in Rubidiumuhren (einer Art von Atomuhren)[27], bei denen ein Hyperfein-Übergang von 87Rb als Frequenzgeber dient. Solche Rubidiumuhren dienen insbesondere als Zeitgeber in den Satelliten des Global Positioning System (GPS)[24] und anderer Satelliten-Navigationssysteme (Galileo, Glonass, BeiDou).[28][29]

In der Medizin dient 82Rb als Tracer in PET-Perfusionsstudien des Myokards.[25][30] 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.[31]

Verwendung im wissenschaftlichen Bereich

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Rubidium eignet sich zur Demonstration der Laserkühlung, da hier günstige Laserdioden für die relevanten Wellenlängen zur Verfügung stehen, sodass die Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats vergleichsweise einfach möglich ist.[32] Die Verwendung von Rubidium in Speichern für Quanten-Computer wird ebenfalls erforscht.[33][34] Natrium-Rubidium-Tartrat wurde im Jahr 1951 für die erste Aufklärung einer absoluten stereochemischen Konfiguration verwendet.[35]

Nachweis

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Zum Nachweis von Rubidium kann man seine rotviolette Flammenfärbung nutzen. Im Spektroskop zeigt sich eine deutliche Emissionslinie bei 780,0 nm.[7] 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.[36]

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.[37]

Physiologie

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Für Pflanzen ist Rubidium vermutlich nicht essentiell, bei Tieren scheint es für den normalen Verlauf der Trächtigkeit notwendig zu sein.[38] 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)[39] – liefern Erwachsenen im Mittel 40 % der verzehrten Rubidiummenge. Rubidium wirkt im zentralen Nervensystem und beeinflusst dort die Konzentration von Neurotransmittern,[40] wobei es die entgegengesetzte Wirkung zum Lithium hat.[41] 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.[42] Ein Rubidiummangel kann bei Dialysepatienten vorliegen.[43][44]

Sicherheitshinweise

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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.[45]

Verbindungen

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Oxide und Hydroxide

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Halogenide

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Sonstige Verbindungen

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Einzelnachweise

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  1. ↑ a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Rubidium) entnommen.
  3. ↑ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
  4. ↑ Manjeera Mantina, Adam C. Chamberlin, Rosendo Valero, Christopher J. Cramer, Donald G. Truhlar: Consistent van der Waals Radii for the Whole Main Group. In: J. Phys. Chem. A 113, 2009, S. 5806–5812, doi:10.1021/jp8111556.
  5. ↑ a b c d e Eintrag zu rubidium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd). Abgerufen am 11. Juni 2020.
  6. ↑ a b c d e Eintrag zu rubidium bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
  7. ↑ a b N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 97.
  8. ↑ Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  9. ↑ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  10. ↑ Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 6: Festkörper. 2. Auflage. Walter de Gruyter, 2005, ISBN 3-11-017485-5, S. 361.
  11. ↑ Decay Radiation Results. In: Chart of Nuclides database. National Nuclear Data Center, abgerufen am 24. Januar 2012.
  12. ↑ a b Eintrag zu Rubidium in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. April 2017. (JavaScript erforderlich)
  13. ↑ Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen: Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen. Zweite Abhandlung. In: Johann Christian Poggendorff (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. 189 (Pogg. Ann. 113), Nr. 7. Johann Ambrosius Barth, Leipzig 1861, S. 337–381, doi:10.1002/andp.18611890702, bibcode:1861AnP...189..337K (online bei Gallica, Bibliothèque nationale de France).
  14. ↑ P. Jakeš, A. J. R. White: KRb ratios of rocks from island arcs. In: Geochimica et Cosmochimica Acta. Band 34, Nr. 8, 1. August 1970, S. 849–856, doi:10.1016/0016-7037(70)90123-7.
  15. ↑ J. Jandová, P. Dvořák, J. Formánek, Hong N. Vu: Recovery of rubidium and potassium alums from lithium-bearing minerals. In: Hydrometallurgy. Band 119-120, 1. Mai 2012, S. 73–76, doi:10.1016/j.hydromet.2012.02.010.
  16. ↑ David K. Teertstra, Petr Cerny, Frank C. Hawthorne, Julie Pier, Lu-Min Wang, Rodney C. Ewing: Rubicline, a new feldspar from San Piero in Campo, Elba, Italy. In: American Mineralogist. Band 83, 11-12 Part 1, Dezember 1998, S. 1335–1339, doi:10.2138/am-1998-11-1223.
  17. ↑ David Barthelmy: Mineral Species sorted by the element Rb (Rubidium). In: webmineral.com. Abgerufen am 27. November 2023 (englisch).
  18. ↑ Malcolm Back, Cristian Biagioni, William D. Birch, Michel Blondieau, Hans-Peter Boja und andere: The New IMA List of Minerals – A Work in Progress – Updated: July 2024. (PDF; 3,6 MB) In: cnmnc.units.it. IMA/CNMNC, Marco Pasero, Juli 2024, abgerufen am 13. August 2024 (englisch).
  19. ↑ Georg Brauer: Freie Alkalimetalle. In: Handbuch der Präparativen Anorganischen Chemie. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1954, S. 724 ff.
  20. ↑ Mary Eagleson: Concise encyclopedia chemisry Berlin; New York: de Gruyter, 1994, ISBN 3-11-011451-8, S. 958
  21. ↑ R.J. Meyer, Erich Pietsch: Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie. Hrsg.: Deutsche Chemische Gesellschaft. 8. völlig neu bearbeitete Auflage. Band 24. Verlag Chemie GmbH, Berlin 1937, S. 114.
  22. ↑ Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen: Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen. In: Annalen der Physik und Chemie. Band 189, Nr. 7, 1861, S. 337–381, doi:10.1002/andp.18611890702, bibcode:1861AnP...189..337K.
  23. ↑ Paul Pasteels: A comparison of methods in geochronology. In: Earth-Science Reviews. Band 4, 1. Januar 1968, S. 5–38, doi:10.1016/0012-8252(68)90145-1.
  24. ↑ a b Camparo, James C., Travis U. Driskell, and A. F. S. Command. "The mercury-ion clock and the pulsed-laser rubidium clock: Near-term candidates for future GPS deployment." Aerospace Report NO. TOR-2015-03893S (2015).
  25. ↑ a b Yukio Yano: Essentials of a rubidium-82 generator for nuclear medicine. In: International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part A. Applied Radiation and Isotopes. Band 38, Nr. 3, 1. Januar 1987, S. 205–211, doi:10.1016/0883-2889(87)90089-X.
  26. ↑ U. Hilfrich, U. Weser: Rubidium hydroxide polyethylene glycol crown ether in the conservation of old master paintings*. In: Archaeometry. Band 46, Nr. 3, August 2004, S. 481–496, doi:10.1111/j.1475-4754.2004.00169.x.
  27. ↑ Hellwig, Helmut, and A. E. Wainwright. "A portable rubidium clock for precision time transport." Proceedings of the 7th Annual Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting. 1975.
  28. ↑ Qingsong Ai, Kamil Maciuk, Paulina Lewinska, Lukasz Borowski: Characteristics of Onefold Clocks of GPS, Galileo, BeiDou and GLONASS Systems. In: Sensors. Band 21, Nr. 7, 30. März 2021, S. 2396, doi:10.3390/s21072396, PMID 33808452, PMC 8036797 (freier Volltext).
  29. ↑ Bernardo Jaduszliwer, James Camparo: Past, present and future of atomic clocks for GNSS. In: GPS Solutions. Band 25, Nr. 1, Januar 2021, S. 27, doi:10.1007/s10291-020-01059-x.
  30. ↑ Keiichiro Yoshinaga, Ran Klein, Nagara Tamaki: Generator-produced rubidium-82 positron emission tomography myocardial perfusion imaging—From basic aspects to clinical applications. In: Journal of Cardiology. Band 55, Nr. 2, März 2010, S. 163–173, doi:10.1016/j.jjcc.2010.01.001.
  31. ↑ Koch, Ernst-Christian. "Special Materials in Pyrotechnics Part 2. Application of Caesium and Rubidium Compounds in Pyrotechnics." Journal of Pyrotechnics (2002): 9-24.
  32. ↑ Optica Publishing Group. Abgerufen am 5. Mai 2023.
  33. ↑ Long Tian, Shujing Li, Haoxiang Yuan, Hai Wang: Generation of Narrow-Band Polarization-Entangled Photon Pairs at a Rubidium D1 Line. In: Journal of the Physical Society of Japan. Band 85, Nr. 12, 15. Dezember 2016, S. 124403, doi:10.7566/JPSJ.85.124403.
  34. ↑ M. Hosseini, B. M. Sparkes, G. Campbell, P. K. Lam, B. C. Buchler: High efficiency coherent optical memory with warm rubidium vapour. In: Nature Communications. Band 2, Nr. 1, 1. Februar 2011, S. 174, doi:10.1038/ncomms1175, PMID 21285952, PMC 3105315 (freier Volltext).
  35. ↑ J. M. Bijvoet, A. F. Peerdeman, A. J. van BOMMEL: Determination of the Absolute Configuration of Optically Active Compounds by Means of X-Rays. In: Nature. Band 168, Nr. 4268, August 1951, S. 271–272, doi:10.1038/168271a0.
  36. ↑ J. Heyrovský, J. Kůta: Grundlagen der Polarographie. Akademie-Verlag, Berlin 1965, S. 515.
  37. ↑ R. Fresenius, G. Jander: Rubidium – Fällung als Rubidium-Natrium-Wismutnitrit mit Natrium-Wismutnitrit. In: Handbuch der analytischen Chemie, Zweiter Teil: Qualitative Nachweisverfahren, Band 1a: Elemente der ersten Hauptgruppe (einschl. Ammonium). Springer-Verlag, Berlin 1944, S. 155–156.
  38. ↑ Manfred Anke, Ljubomir Angelow, Ralf Müller, Sabine Anke: Recent progress in exploring the essentiality of the ultratrace element rubidium to the nutrition of animals and man. In: Biomedical Research on Trace Elements. Band 16, Nr. 3, 2005, S. 203–207, doi:10.11299/brte.16.203.
  39. ↑ Andrea Illy, Rinantonio Viani: Espresso Coffee: The Science of Quality. Elsevier Academic Press, 2005, ISBN 0-12-370371-9, S. 150.
  40. ↑ M. Krachler, G. H. Wirnsberger: Long-term changes of plasma trace element concentrations in chronic hemodialysis patients. In: Blood Purif. 18(2), 2000, S. 138–143, PMID 10838473.
  41. ↑ Ronald R. Fieve, Herbert Meltzer, David L. Dunner, Morton Levitt, Julien Mendlewicz, Ann Thomas: Rubidium: Biochemical, Behavioral, and Metabolic Studies in Humans. In: American Journal of Psychiatry. Band 130, Nr. 1, Januar 1973, S. 55–61, doi:10.1176/ajp.130.1.55.
  42. ↑ C Paschalis, F A Jenner, C R Lee: Effects of Rubidium Chloride on the Course of Manic-Depressive Illness. In: Journal of the Royal Society of Medicine. Band 71, Nr. 5, Mai 1978, S. 343–352, doi:10.1177/014107687807100507, PMID 349155, PMC 1436619 (freier Volltext).
  43. ↑ H. L. Meltzer, R. M. Taylor, S. R. Platman, R. R. Fieve: Rubidium: A potential modifier of effect and behaviour. In: Nature. 223, 1969, S. 321–322, PMID 4978331.
  44. ↑ C. Canavese, E. DeCostanzi, L. Branciforte u. a.: Rubidium deficiency in dialysis patients. In: J Nephrol. 14(3), 2001, S. 169–175, PMID 11439740.
  45. ↑ Garland T. Johnson, Trent R. Lewis, William D. Wagner: Acute toxicity of cesium and rubidium compounds. In: Toxicology and Applied Pharmacology. Band 32, Nr. 2, 1. Mai 1975, S. 239–245, doi:10.1016/0041-008X(75)90216-1.
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Wiktionary: Rubidium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Rubidium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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