El rubidio es un elemento químico ; tiene símbolo Rb y número atómico 37. Es un sólido muy blando, de color gris blanquecino, del grupo de los metales alcalinos , similar al potasio y al cesio . [8] El rubidio es el primer metal alcalino del grupo que tiene una densidad superior a la del agua . En la Tierra, el rubidio natural se compone de dos isótopos : el 72% es un isótopo estable 85 Rb y el 28% es ligeramente radiactivo 87 Rb, con una vida media de 48.800 millones de años, más de tres veces la edad estimada del universo. .
Los químicos alemanes Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff descubrieron el rubidio en 1861 mediante la técnica recientemente desarrollada, la espectroscopia de llama . El nombre proviene de la palabra latina rubidus , que significa rojo intenso, el color de su espectro de emisión. Los compuestos de rubidio tienen diversas aplicaciones químicas y electrónicas. El rubidio metálico se vaporiza fácilmente y tiene un rango de absorción espectral conveniente, lo que lo convierte en un objetivo frecuente para la manipulación láser de átomos . El rubidio no es un nutriente conocido para ningún organismo vivo . Sin embargo, los iones de rubidio tienen propiedades similares y la misma carga que los iones de potasio, y las células animales los absorben y tratan activamente de manera similar.
El rubidio es un metal muy blando, dúctil y de color blanco plateado. [9] Es el segundo metal alcalino estable más electropositivo y se funde a una temperatura de 39,3 °C (102,7 °F). Como otros metales alcalinos, el rubidio reacciona violentamente con el agua. Al igual que con el potasio (que es un poco menos reactivo) y el cesio (que es un poco más reactivo), esta reacción suele ser lo suficientemente vigorosa como para encender el gas hidrógeno que produce. También se ha informado que el rubidio se enciende espontáneamente en el aire. [9] Forma amalgamas con mercurio y aleaciones con oro , hierro , cesio , sodio y potasio , pero no con litio (aunque el rubidio y el litio están en el mismo grupo). [10]
El rubidio tiene una energía de ionización muy baja de sólo 406 kJ/mol. [11] El rubidio y el potasio muestran un color púrpura muy similar en la prueba de llama , y distinguir los dos elementos requiere análisis más sofisticados, como la espectroscopia. [ cita necesaria ]
El cloruro de rubidio (RbCl) es probablemente el compuesto de rubidio más utilizado: entre varios otros cloruros, se utiliza para inducir a las células vivas a absorber ADN ; también se utiliza como biomarcador, porque en la naturaleza se encuentra sólo en pequeñas cantidades en los organismos vivos y, cuando está presente, reemplaza al potasio. Otros compuestos de rubidio comunes son el corrosivo hidróxido de rubidio (RbOH), el material de partida para la mayoría de los procesos químicos basados en rubidio; carbonato de rubidio (Rb 2 CO 3 ), utilizado en algunos vidrios ópticos, y sulfato de cobre y rubidio, Rb 2 SO 4 ·CuSO 4 ·6H 2 O. El yoduro de plata y rubidio (RbAg 4 I 5 ) tiene la conductividad a temperatura ambiente más alta de todos los conocidos. Cristal iónico , propiedad explotada en baterías de película delgada y otras aplicaciones. [12] [13]
El rubidio forma varios óxidos cuando se expone al aire, incluido el monóxido de rubidio (Rb 2 O), Rb 6 O y Rb 9 O 2 ; El rubidio en exceso de oxígeno da el superóxido RbO 2 . El rubidio forma sales con halógenos, produciendo fluoruro de rubidio , cloruro de rubidio , bromuro de rubidio y yoduro de rubidio . [14]
Aunque el rubidio es monoisotópico , el rubidio en la corteza terrestre está compuesto por dos isótopos: el estable 85 Rb (72,2%) y el radiactivo 87 Rb (27,8%). [15] El rubidio natural es radiactivo, con una actividad específica de aproximadamente 670 Bq /g, suficiente para exponer significativamente una película fotográfica en 110 días. [16] [17] Se han sintetizado treinta isótopos de rubidio adicionales con vidas medias de menos de 3 meses; la mayoría son altamente radiactivos y tienen pocos usos. [18]
El rubidio-87 tiene una vida media de48,8 × 10 9 años, que es más de tres veces la edad del universo de(13,799 ± 0,021) × 10 9 años, [19] convirtiéndolo en un nucleido primordial . Sustituye fácilmente al potasio en los minerales y, por tanto, está bastante extendido. Rb se ha utilizado ampliamente para datar rocas ; 87 Rb beta se desintegra hasta convertirse en 87 Sr estable . Durante la cristalización fraccionada , el Sr tiende a concentrarse en plagioclasa , dejando Rb en la fase líquida. Por lo tanto, la relación Rb/Sr en el magma residual puede aumentar con el tiempo, y la diferenciación progresiva da como resultado rocas con relaciones Rb/Sr elevadas. Las proporciones más altas (10 o más) se dan en las pegmatitas . Si se conoce la cantidad inicial de Sr o se puede extrapolar, entonces la edad se puede determinar midiendo las concentraciones de Rb y Sr y de la relación 87 Sr/ 86 Sr. Las fechas indican la verdadera edad de los minerales sólo si las rocas no han sido alteradas posteriormente (ver datación rubidio-estroncio ). [20] [21]
El rubidio-82 , uno de los isótopos no naturales del elemento, se produce mediante la desintegración por captura de electrones del estroncio-82 con una vida media de 25,36 días. Con una vida media de 76 segundos, el rubidio-82 se desintegra mediante emisión de positrones hasta convertirse en criptón-82 estable . [15]
El rubidio es el vigésimo tercer elemento más abundante en la corteza terrestre , aproximadamente tan abundante como el zinc y bastante más común que el cobre . [22] Ocurre naturalmente en los minerales leucita , polucita , carnalita y zinnwaldita , que contienen hasta un 1% de óxido de rubidio . La lepidolita contiene entre 0,3% y 3,5% de rubidio y es la fuente comercial del elemento. [23] Algunos minerales de potasio y cloruros de potasio también contienen el elemento en cantidades comercialmente significativas. [24]
El agua de mar contiene un promedio de 125 µg/L de rubidio en comparación con el valor mucho más alto de potasio de 408 mg/L y el valor mucho más bajo de 0,3 µg/L de cesio. [25] El rubidio es el decimoctavo elemento más abundante en el agua de mar. [26]
Debido a su gran radio iónico , el rubidio es uno de los " elementos incompatibles ". [27] Durante la cristalización del magma , el rubidio se concentra junto con su análogo más pesado, el cesio, en la fase líquida y cristaliza al final. Por lo tanto, los depósitos más grandes de rubidio y cesio son cuerpos minerales de pegmatita de zona formados por este proceso de enriquecimiento. Debido a que el rubidio sustituye al potasio en la cristalización del magma, el enriquecimiento es mucho menos eficaz que el del cesio. Los yacimientos de pegmatita de la zona que contienen cantidades explotables de cesio como polucita o los minerales de litio lepidolita también son una fuente de rubidio como subproducto. [22]
Dos fuentes notables de rubidio son los ricos depósitos de polucita en el lago Bernic , Manitoba , Canadá, y la rubilina ((Rb,K)AlSi 3 O 8 ) encontrada como impurezas en polucita en la isla italiana de Elba , con un contenido de rubidio de 17,5%. [28] Ambos depósitos son también fuentes de cesio. [ cita necesaria ]
Aunque el rubidio es más abundante que el cesio en la corteza terrestre, las limitadas aplicaciones y la falta de un mineral rico en rubidio limitan la producción de compuestos de rubidio a entre 2 y 4 toneladas por año. [22] Hay varios métodos disponibles para separar potasio, rubidio y cesio. La cristalización fraccionada de alumbre de rubidio y cesio (Cs,Rb)Al(SO 4 ) 2 ·12H 2 O produce, después de 30 pasos posteriores, alumbre de rubidio puro. Se informan otros dos métodos, el proceso de cloroestannato y el proceso de ferrocianuro. [22] [29]
Durante varios años, en las décadas de 1950 y 1960, un subproducto de la producción de potasio llamado Alkarb fue la principal fuente de rubidio. Alkarb contenía un 21% de rubidio, el resto potasio y una pequeña cantidad de cesio. [30] Hoy en día, los mayores productores de cesio producen rubidio como subproducto de la polucita. [22]
El rubidio fue descubierto en 1861 por Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff , en Heidelberg, Alemania, en el mineral lepidolita mediante espectroscopia de llama . Debido a las líneas rojas brillantes en su espectro de emisión , eligieron un nombre derivado de la palabra latina rubidus , que significa "rojo intenso". [31] [32]
El rubidio es un componente menor de la lepidolita . Kirchhoff y Bunsen procesaron 150 kg de una lepidolita que contenía sólo un 0,24% de monóxido de rubidio (Rb 2 O). Tanto el potasio como el rubidio forman sales insolubles con el ácido cloroplatínico , pero esas sales muestran una ligera diferencia en la solubilidad en agua caliente. Por lo tanto, el hexacloroplatinato de rubidio menos soluble (Rb 2 PtCl 6 ) podría obtenerse mediante cristalización fraccionada . Después de la reducción del hexacloroplatinato con hidrógeno , el proceso produjo 0,51 gramos de cloruro de rubidio (RbCl) para estudios adicionales. Bunsen y Kirchhoff comenzaron su primer aislamiento a gran escala de compuestos de cesio y rubidio con 44.000 litros (12.000 galones estadounidenses) de agua mineral, que produjeron 7,3 gramos de cloruro de cesio y 9,2 gramos de cloruro de rubidio . [31] [32] El rubidio fue el segundo elemento, poco después del cesio, descubierto mediante espectroscopia, apenas un año después de la invención del espectroscopio por Bunsen y Kirchhoff. [33]
Los dos científicos utilizaron el cloruro de rubidio para estimar que el peso atómico del nuevo elemento era 85,36 (el valor actualmente aceptado es 85,47). [31] Intentaron generar rubidio elemental mediante electrólisis de cloruro de rubidio fundido, pero en lugar de un metal, obtuvieron una sustancia azul homogénea, que "ni a simple vista ni al microscopio mostraba el más mínimo rastro de sustancia metálica". Supusieron que se trataba de un subcloruro ( Rb
2Cl ); sin embargo, el producto probablemente era una mezcla coloidal del metal y cloruro de rubidio. [34] En un segundo intento de producir rubidio metálico, Bunsen pudo reducir el rubidio calentando tartrato de rubidio carbonizado . Aunque el rubidio destilado era pirofórico , pudieron determinar la densidad y el punto de fusión. La calidad de estas investigaciones de la década de 1860 se puede apreciar por el hecho de que su densidad determinada difiere en menos de 0,1 g/cm 3 y el punto de fusión en menos de 1 °C de los valores actualmente aceptados. [35]
La ligera radiactividad del rubidio se descubrió en 1908, pero eso fue antes de que se estableciera la teoría de los isótopos en 1910, y el bajo nivel de actividad (vida media superior a 10 10 años ) complicó la interpretación. La desintegración ahora comprobada del 87 Rb al 87 Sr estable a través de la desintegración beta todavía estaba en discusión a finales de la década de 1940. [36] [37]
El rubidio tenía un valor industrial mínimo antes de la década de 1920. [38] Desde entonces, el uso más importante del rubidio es la investigación y el desarrollo, principalmente en aplicaciones químicas y electrónicas. En 1995, se utilizó rubidio-87 para producir un condensado de Bose-Einstein , [39] por el cual los descubridores, Eric Allin Cornell , Carl Edwin Wieman y Wolfgang Ketterle , ganaron el Premio Nobel de Física en 2001 . [40]
A veces se utilizan compuestos de rubidio en los fuegos artificiales para darles un color púrpura. [41] También se ha considerado el uso del rubidio en un generador termoeléctrico utilizando el principio magnetohidrodinámico , mediante el cual los iones de rubidio calientes pasan a través de un campo magnético . [42] Estos conducen la electricidad y actúan como la armadura de un generador, generando así una corriente eléctrica . El rubidio, particularmente el 87 Rb vaporizado, es una de las especies atómicas más utilizadas para el enfriamiento por láser y la condensación de Bose-Einstein . Sus características deseables para esta aplicación incluyen la fácil disponibilidad de luz láser de diodo económica en la longitud de onda relevante y las temperaturas moderadas requeridas para obtener presiones de vapor sustanciales. [43] [44] Para aplicaciones de átomos fríos que requieren interacciones sintonizables, se prefiere 85 Rb por su rico espectro Feshbach . [45]
El rubidio se ha utilizado para polarizar 3 He , produciendo volúmenes de gas 3 He magnetizado, con los espines nucleares alineados en lugar de aleatorios. El vapor de rubidio es bombeado ópticamente por un láser y el Rb polarizado polariza el 3He a través de la interacción hiperfina . [46] Estas células de 3 He polarizadas por espín son útiles para mediciones de polarización de neutrones y para producir haces de neutrones polarizados para otros fines. [47]
El elemento resonante de los relojes atómicos utiliza la estructura hiperfina de los niveles de energía del rubidio, y el rubidio es útil para sincronizar con alta precisión. Se utiliza como componente principal de referencias de frecuencia secundarias (osciladores de rubidio) en transmisores de sitios celulares y otros equipos electrónicos de transmisión, redes y pruebas. Estos patrones de rubidio se utilizan a menudo con GNSS para producir un "patrón de frecuencia primario" que tiene mayor precisión y es menos costoso que los patrones de cesio. [48] [49] Estos patrones de rubidio suelen producirse en masa para la industria de las telecomunicaciones . [50]
Otros usos potenciales o actuales del rubidio incluyen un fluido de trabajo en turbinas de vapor, como captador en tubos de vacío y como componente de fotocélula . [51] El rubidio también se utiliza como ingrediente en tipos especiales de vidrio, en la producción de superóxido mediante combustión en oxígeno , en el estudio de los canales de iones de potasio en biología y como vapor en magnetómetros atómicos . [52] En particular, el 87 Rb se utiliza con otros metales alcalinos en el desarrollo de magnetómetros sin relajación de intercambio de espín (SERF) . [52]
El rubidio-82 se utiliza para la tomografía por emisión de positrones . El rubidio es muy similar al potasio y los tejidos con alto contenido de potasio también acumularán rubidio radiactivo. Uno de los principales usos es la obtención de imágenes de perfusión miocárdica . Como resultado de los cambios en la barrera hematoencefálica en los tumores cerebrales, el rubidio se acumula más en los tumores cerebrales que en el tejido cerebral normal, lo que permite el uso del radioisótopo rubidio-82 en medicina nuclear para localizar y obtener imágenes de tumores cerebrales. [53] El rubidio-82 tiene una vida media muy corta de 76 segundos, y la producción a partir de la desintegración del estroncio-82 debe realizarse cerca del paciente. [54]
Se probó el efecto del rubidio sobre la depresión maníaca y la depresión. [55] [56] Los pacientes en diálisis que sufren de depresión muestran un agotamiento del rubidio y, por lo tanto, un suplemento puede ayudar durante la depresión. [57] En algunas pruebas, el rubidio se administró como cloruro de rubidio con hasta 720 mg por día durante 60 días. [58] [59]
El rubidio reacciona violentamente con el agua y puede provocar incendios. Para garantizar la seguridad y la pureza, este metal generalmente se guarda bajo aceite mineral seco o se sella en ampollas de vidrio en una atmósfera inerte. El rubidio forma peróxidos al exponerse incluso a una pequeña cantidad de aire difundido en el aceite, y su almacenamiento está sujeto a precauciones similares a las del potasio metálico . [61]
El rubidio, como el sodio y el potasio, casi siempre tiene un estado de oxidación +1 cuando se disuelve en agua, incluso en contextos biológicos. El cuerpo humano tiende a tratar los iones Rb + como si fueran iones de potasio y, por lo tanto, concentra el rubidio en el líquido intracelular del cuerpo (es decir, dentro de las células). [62] Los iones no son particularmente tóxicos; una persona de 70 kg contiene en promedio 0,36 g de rubidio, y un aumento de este valor de 50 a 100 veces no mostró efectos negativos en las personas de prueba. [63] La vida media biológica del rubidio en humanos mide entre 31 y 46 días. [55] Aunque es posible una sustitución parcial del potasio por rubidio, cuando más del 50% del potasio en el tejido muscular de las ratas fue reemplazado por rubidio, las ratas murieron. [64] [65]