El rubidio es un elemento químico ; su símbolo es Rb y su número atómico es 37. Es un sólido gris blanquecino muy blando 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 mayor que 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 varias 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 . [9] 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 son absorbidos y tratados activamente por las células animales de formas similares.
El rubidio es un metal muy blando, dúctil y de color blanco plateado. [10] Tiene un punto de fusión de 39,3 °C (102,7 °F) y un punto de ebullición de 688 °C (1270 °F). [11] Forma amalgamas con mercurio y aleaciones con oro , hierro , cesio , sodio y potasio , pero no con litio (a pesar de que el rubidio y el litio están en el mismo grupo periódico). [12] El rubidio y el potasio muestran un color púrpura muy similar en la prueba de la llama , y distinguir los dos elementos requiere un análisis más sofisticado, como la espectroscopia. [13]
El rubidio es el segundo metal alcalino estable más electropositivo y tiene una energía de primera ionización muy baja de solo 403 kJ/mol. [11] Tiene una configuración electrónica de [Kr]5s 1 y es fotosensible. [14] Debido a su fuerte naturaleza electropositiva, el rubidio reacciona explosivamente con el agua. [15] Al igual que con todos los metales alcalinos, la reacción suele ser lo suficientemente vigorosa como para encender el metal o el gas hidrógeno producido por la reacción, lo que puede causar una explosión. [16] El rubidio, al ser más denso que el potasio, se hunde en el agua y reacciona violentamente; el cesio explota al entrar en contacto con el agua. [17] Sin embargo, las velocidades de reacción de todos los metales alcalinos dependen del área de superficie del metal en contacto con el agua, y las pequeñas gotas de metal dan lugar a velocidades explosivas. [18] También se ha informado que el rubidio se enciende espontáneamente en el aire. [10]
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 captar ADN ; también se utiliza como biomarcador, porque en la naturaleza, se encuentra solo en pequeñas cantidades en los organismos vivos y cuando está presente, reemplaza al potasio. Otros compuestos de rubidio comunes son el hidróxido de rubidio corrosivo (RbOH), el material de partida para la mayoría de los procesos químicos basados en rubidio; el carbonato de rubidio (Rb 2 CO 3 ), utilizado en algunos vidrios ópticos, y el 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 cristales iónicos conocidos , una propiedad explotada en baterías de película delgada y otras aplicaciones. [19] [20]
El rubidio forma varios óxidos cuando se expone al aire, incluidos 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 . [21]
Aunque el rubidio es monoisotópico , el rubidio en la corteza terrestre está compuesto de dos isótopos: el estable 85 Rb (72,2%) y el radiactivo 87 Rb (27,8%). [22] El rubidio natural es radiactivo, con una actividad específica de aproximadamente 670 Bq /g, suficiente para exponer significativamente una película fotográfica en 110 días. [23] [24] 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. [25]
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, [26] lo que lo convierte en un nucleido primordial . Sustituye fácilmente al potasio en los minerales y, por tanto, está bastante extendido. El Rb se ha utilizado ampliamente en la datación de rocas ; el 87 Rb se desintegra beta en 87 Sr estable . Durante la cristalización fraccionada , el Sr tiende a concentrarse en plagioclasa , dejando al Rb en la fase líquida. Por 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 relaciones más altas (10 o más) se dan en las pegmatitas . Si se conoce o se puede extrapolar la cantidad inicial de Sr, entonces la edad se puede determinar midiendo las concentraciones de Rb y Sr y la relación 87 Sr/ 86 Sr. Las fechas indican la edad real de los minerales sólo si las rocas no han sido alteradas posteriormente (véase datación por rubidio-estroncio ). [27] [28]
El rubidio-82 , uno de los isótopos no naturales del elemento, se produce por 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 por emisión de positrones en criptón-82 estable . [22]
El rubidio no es abundante, siendo uno de los 56 elementos que combinados conforman el 0,05% de la corteza terrestre; aproximadamente el 23.º elemento más abundante en la corteza terrestre, es más abundante que el zinc o el cobre . [29] : 4 Se presenta de forma natural en los minerales leucita , polucita , carnalita y zinnwaldita , que contienen hasta un 1% de óxido de rubidio . La lepidolita contiene entre un 0,3% y un 3,5% de rubidio y es la fuente comercial del elemento. [30] Algunos minerales de potasio y cloruros de potasio también contienen el elemento en cantidades comercialmente significativas. [31]
El agua de mar contiene un promedio de 125 μg/L de rubidio en comparación con el valor mucho más alto de 408 mg/L para el potasio y el valor mucho más bajo de 0,3 μg/L para el cesio. [32] El rubidio es el decimoctavo elemento más abundante en el agua de mar. [14]
Debido a su gran radio iónico , el rubidio es uno de los " elementos incompatibles ". [33] 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 los cuerpos de mineral de pegmatita zonal formados por este proceso de enriquecimiento. Debido a que el rubidio sustituye al potasio en la cristalización del magma, el enriquecimiento es mucho menos efectivo que el del cesio. Los cuerpos de mineral de pegmatita zonal que contienen cantidades explotables de cesio como polucita o los minerales de litio lepidolita también son una fuente de rubidio como subproducto. [29]
Dos fuentes notables de rubidio son los ricos depósitos de polucita en el lago Bernic , Manitoba , Canadá, y la rubiclina ((Rb,K)AlSi3O8 ) encontrada como impurezas en la polucita en la isla italiana de Elba , con un contenido de rubidio del 17,5 % . [34] Ambos depósitos también son fuentes de cesio. [ cita requerida ]
Aunque el rubidio es más abundante en la corteza terrestre que el cesio, las aplicaciones limitadas y la falta de un mineral rico en rubidio limitan la producción de compuestos de rubidio a 2 a 4 toneladas por año. [29] Existen varios métodos disponibles para separar potasio, rubidio y cesio. La cristalización fraccionada de un alumbre de rubidio y cesio (Cs,Rb)Al(SO 4 ) 2 ·12H 2 O produce alumbre de rubidio puro después de 30 pasos subsiguientes. Se han reportado otros dos métodos, el proceso de cloroestannato y el proceso de ferrocianuro. [29] [35]
Durante varios años, en los decenios de 1950 y 1960, un subproducto de la producción de potasio llamado alkarb fue una fuente principal de rubidio. El alkarb contenía un 21 % de rubidio, siendo el resto potasio y una pequeña cantidad de cesio. [36] Hoy en día, los mayores productores de cesio producen rubidio como subproducto a partir de polucita. [29]
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 oscuro". [37] [38]
El rubidio es un componente menor en la lepidolita . Kirchhoff y Bunsen procesaron 150 kg de una lepidolita que contenía solo 0,24% de monóxido de rubidio (Rb 2 O). Tanto el potasio como el rubidio forman sales insolubles con ácido cloroplatínico , pero esas sales muestran una ligera diferencia en solubilidad en agua caliente. Por lo tanto, el hexacloroplatinato de rubidio menos soluble (Rb 2 PtCl 6 ) se pudo obtener por cristalización fraccionada . Después de la reducción del hexacloroplatinato con hidrógeno , el proceso produjo 0,51 gramos de cloruro de rubidio (RbCl) para estudios posteriores. 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 produjo 7,3 gramos de cloruro de cesio y 9,2 gramos de cloruro de rubidio . [37] [38] El rubidio fue el segundo elemento, poco después del cesio, en ser descubierto mediante espectroscopia, justo un año después de la invención del espectroscopio por Bunsen y Kirchhoff. [39]
Los dos científicos utilizaron el cloruro de rubidio para estimar que el peso atómico del nuevo elemento era 85,36 (el valor aceptado actualmente es 85,47). [37] Intentaron generar rubidio elemental mediante electrólisis de cloruro de rubidio fundido, pero en lugar de un metal, obtuvieron una sustancia homogénea azul, que "ni a simple vista ni bajo el microscopio mostraba el más mínimo rastro de sustancia metálica". Supusieron que se trataba de un subcloruro ( Rb
2Cl ); sin embargo, el producto era probablemente una mezcla coloidal del metal y cloruro de rubidio. [40] 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 esta investigación en 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 aceptados actualmente. [41]
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) hizo que la interpretación fuera complicada. La desintegración, ahora demostrada, del 87 Rb en el 87 Sr estable mediante desintegración beta todavía se estaba discutiendo a fines de la década de 1940. [42] [43]
El rubidio tenía un valor industrial mínimo antes de la década de 1920. [29] Desde entonces, el uso más importante del rubidio es la investigación y el desarrollo, principalmente en aplicaciones químicas y electrónicas. En 1995, el rubidio-87 se utilizó para producir un condensado de Bose-Einstein , [44] por el que los descubridores, Eric Allin Cornell , Carl Edwin Wieman y Wolfgang Ketterle , ganaron el Premio Nobel de Física en 2001. [45]
Los compuestos de rubidio se utilizan a veces en fuegos artificiales para darles un color púrpura. [46] El rubidio también se ha considerado para su uso en un generador termoeléctrico utilizando el principio magnetohidrodinámico , por el cual los iones de rubidio calientes pasan a través de un campo magnético . [47] Estos conducen electricidad y actúan como una armadura de un generador, generando así una corriente eléctrica . El rubidio, particularmente el 87 Rb vaporizado, es una de las especies atómicas más comúnmente utilizadas para el enfriamiento 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. [48] [49] Para aplicaciones de átomos fríos que requieren interacciones ajustables, se prefiere el 85 Rb por su rico espectro de Feshbach . [50]
El rubidio se ha utilizado para polarizar el 3He , lo que produce volúmenes de gas magnetizado de 3He , con espines nucleares alineados en lugar de aleatorios. El vapor de rubidio se bombea ópticamente mediante un láser, y el Rb polarizado polariza el 3He a través de la interacción hiperfina . [51] Estas celdas de 3He polarizadas por espín son útiles para mediciones de polarización de neutrones y para producir haces de neutrones polarizados para otros fines. [52]
El elemento resonante de los relojes atómicos utiliza la estructura hiperfina de los niveles de energía del rubidio, y el rubidio es útil para cronometrar con alta precisión. Se utiliza como componente principal de las referencias de frecuencia secundarias (osciladores de rubidio) en transmisores de estaciones base 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 primaria" que tiene mayor precisión y es menos costoso que los patrones de cesio. [53] [54] Estos patrones de rubidio se suelen producir en masa para la industria de las telecomunicaciones . [55]
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 . [56] El rubidio también se utiliza como ingrediente en tipos especiales de vidrio, en la producción de superóxido por quema en oxígeno , en el estudio de los canales de iones de potasio en biología y como vapor en magnetómetros atómicos . [57] En particular, el 87Rb se utiliza con otros metales alcalinos en el desarrollo de magnetómetros de relajación por intercambio de espín (SERF) . [57]
El rubidio-82 se utiliza para la tomografía por emisión de positrones . El rubidio es muy similar al potasio, y el tejido con un alto contenido de potasio también acumulará el 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 los tumores cerebrales. [58] 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. [59]
Se ha estudiado la influencia del rubidio en la depresión maníaca y la depresión. [60] [61] Los pacientes en diálisis que sufren depresión muestran una disminución del rubidio, por lo que una suplementación puede ayudar durante la depresión. [62] En algunas pruebas, el rubidio se administró como cloruro de rubidio con hasta 720 mg por día durante 60 días. [63] [64]
El rubidio reacciona violentamente con el agua y puede provocar incendios. Para garantizar su seguridad y pureza, este metal suele conservarse bajo aceite mineral seco o sellado 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 . [66]
El rubidio, al igual que 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). [67] 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. [68] La vida media biológica del rubidio en humanos mide entre 31 y 46 días. [60] Aunque es posible una sustitución parcial de potasio por rubidio, cuando más del 50% del potasio en el tejido muscular de las ratas fue reemplazado por rubidio, las ratas murieron. [69] [70]