Els empèdocles moderns – Robert Bunsen (1861) i l’element 37 (Rb) – rubidi (niltrisepti, Nts)

Els cinc elements més abundants de la Via Làctia (H, He, O, C, Ne) constitueixen el 99% de la massa bariònica de la galàxia. Els cinc elements més abundants del planeta Terra (Fe, O, Si, Mg, Ni) constitueixen el 95% de la massa planetària. Els cinc elements més abundants del cos humà (O, C, H, N, Ca) constitueixen el 97% de la massa corporal. La majoria dels elements químics són rars. Les tècniques modernes de purificació van permetre obtindre’n quantitats suficients per caracteritzar, sobretot a partir del segle XIX, aquests elements químics d’acord amb les seves propietats físiques i químiques. Però fou fonamental també el desenvolupament de tècniques que, basades en aquestes propietats, poguessin detectar elements i compostos químics fins i tot quan eren presents en forma de traça. L’espectroscopia d’emissió forneix la base de tècniques analítiques. Isaac Newton ja havia caracteritzat el fenomen de la dispersió de la llum per explicar la formació de l’arc iris en la natura i en l’acció d’un prisma sobre la llum blanca (“Opticks”, 1704). Joseph Fraunhofer substituí el prisma per una malla (xarxa de difracció) i realitzà estudis quantitatius sobre l’espectre de llums de diverses procedències (Sol, diversos tipus de flama, etc.). Fraunhofer observà en aquests espectres bandes fosques (línies de Fraunhofer). En els anys 1820, John Herschell i William H. F. Talbot, entre d’altres, estudiaren els espectres emesos per flames en les quals es feien cremar diversos tipus de sals. En el 1835, Charles Wheatstone caracteritzà els espectres d’espurna de diferents metalls. Les línies dels espectres d’emissió (espurnes) i els d’absorció (flames) depenien de la temperatura de la font de llum i de la composició química del material, de manera que la longitud d’ona de cada línia d’emissió servia efectivament a la caracterització del material. Anders Jonas Ångström publicà en el 1853 “Optiska Undersökningar” on presentava estudis sobre els espectres d’emissió de gasos incandescents. Gustav Kirchhoff i Robert Bunsen, en els anys 1860, aconseguiren l’atribució sistemàtica d’espectres a elements químics. Kirchhoff formulà les tres lleis de l’espectroscopia: 1) un sòlid, líquid o gas incadenscent sota alta pressió emet un espectre continu; 2) un gas calent a baixa pressió emet un espectre de línies brillants (línies d’emissió); 3) una font d’espectre continu vista a través d’un gas fred de baixa densitat produeix un espectre amb línies d’absorció. El desenvolupament de l’espectroscopia va permetre que hom descobrís abans, per exemple, el gas heli en el Sol que no pas com a producte de reaccions químiques de certs minerals de la Terra (com la cleveïta). Alguns altres dels elements més rars també foren descoberts inicialment per línies espectrals no atribuïbles a cap element conegut. I és així com arribem al nombre 37 de la nostra sèrie.

Espectre d’emissió de l’hidrogen. Cada línia s’explica per les transicions d’estats dels electrons. En guanyar energia (absorbir fotons), els electrons passen a un estat més energètic (a un orbital de major energia). En caure d’aquest estat excitat, els electrons perden energia (emissió de fotons). La longitud d’ona de la llum absorbida o emesa depèn de la diferència d’energia entre els dos estats de cada transició.

Robert Bunsen i la descoberta del rubidi

Robert Bunsen, de qui ja vam parlar amb motiu del bicentenari del seu naixement

Robert Wilhelm Eberhard Bunsen nasqué a Göttingen el 30 de març del 1811. Fou el més jove dels quatre fills varons de Christian Bunsen (1770-1837), professor de literatura i de llengües modernes, i bibliotecari en cap de la Universitat de Götingen. L’avi patern, Philipp Christian Bunsen (1729-1790) havia estat encunyador de monedes a Arolsen i a Frankfurt. En el 1811, Göttingen era inclosa en el Regne de Westfàlia, estat vassall de Napoleó Bonaparte, governat pel seu germà Jeroni amb el títol de rei. Després de la caiguda de Bonaparte, Göttingen quedà integrada en el Regne de Hanover, estat en unió personal amb la corona britànica.

Robert Bunsen després de fer estudis primaris a Götingen, passà al Gymnasium de Holminden. Ingressà en el 1828 a la Universitat de Götingen, on estudià matemàtiques (amb Carl Friedrich Gauss de professor) i ciències naturals, demostrant ja un interès per la química (amb Friedrich Stromeyer) i la mineraologia (Friedrich Ludwig Hausmann). Com a tema de dissertació trià la higrometria. Llegí aquesta dissertació, amb el títol “Enumeratio ac descriptiu hygrometrorum quae inde a Saussurii temporibus proposita sunt” en el 1830, doctorant-se en el 1831. Gràcies a un estipendi del govern, realitzà un viatge d’estudis entre el 1832 i 1833. En aquesta girà conegué a Friedlieb Ferdinand Runge (1795-1867), el descobridor de la cafeïna, que havia deixat la docència a la Universitat de Breslau per treballar en una companyia química. A Gießen conegué Justus Liebig (1803-1873), i a Berlín a Eilhard Mitscherlich (1794-1863).

Conclosa aquesta gira, Bunsen es dedicà a la docència (habilitat en el 1834) i a la investigació a la Universitat de Götingen. Juntament amb Arnold Adolph Berthold estudià la solubilitat de diverses sals metàl•liques d’àcid arseniós. Aquest estudi tenia un vessant pràctic en el desenvolupament d’un antídot a la intoxicació per arsènic que actués a través de la precipitació. I el trobaren en l’òxid de ferro hidratat.

En el 1835, es moria Friedrich Stromeyer. Com a successor en la càtedra de química de Götingen, fou cridat Friedrich Wöhler. Bunsen llavors ocupà la plaça que deixava Wöhler a l’Escola Superior d’Oficis de Kassel (1836). El primer any, en el decurs de les seves investigacions amb compostos de cacodil, una reacció explosiva l’afectà ull dret. Fins i tot sense explosions, el treball amb aquest compost organoarseniat era sumament perillós:

L’olor d’aquest compost produeix una pruïja instantània en les mans i els peus, i fins i tot mareig i insensibilitat… És remarcable que quan hom és exposat a l’olor d’aquests compostos la llengua queda recoberta amb una capa negra, fins i tot quan no es detecta cap altre efecte detrimental”.

El treball de Bunsen amb el cacodil tenia un enfocament teòric encaminat a l’estudi dels radicals químics. En efecte, Jöns Jakob Berzelius, que havia donat nom al cacodil, postulava una teoria de radicals per explicar els compostos químics. Bursen postulà l’existència d’uns radicals metílics (-CH3) com a fonament de la química orgànica.

En el 1838, Bunsen també va estudiar els processos físics i químics dels alts forns en les ferreries de Veckerhagen, al nord de Kassel, i particularment la dinàmica de gasos.

Després de tres anys a Kassel, passà a la Universitat de Marburg en el 1839, com a professor associat. Continua amb els seus treballs sobre el cacodil, d’una banda, i a la físico-química de gasos. En el 1841, ja esdevenia professor titular. Del 1841 és el seu disseny de cèl•lula electroquímica, amb elèctrodes de zinc i de carbó.

Esquema de la cèl•lula de Bunsen. Basada en la cèl•lula electroquímica de William Robert Grove, l’elèctrode de platí era substituït per un elèctrode de carboni, que reduïa el cost del conjunt.

Els seus estudis sobre gasos van fer que, quan el volcà islandès Hekla entrà sobtadament en erupció (2 de setembre del 1845), el govern danès inclogués Bunsen entre els científics que foren convidats a fer-hi una expedició. Bunsen, no sense dificultats, aconseguí un permís de sis mesos. Realment el viatge a Islàndia li fou molt profitós. Les mostres de gas i de roca que hi va recollir el mantingueren ocupat a ell i als seus alumnes col•laboradors, com Hermann Kolbe (1818-1884), Edward Frankland (1825-1899), John Tyndall (1820-1893) o Heinrich Debus (1824-1916).

En el 1850, Robert Bunsen deixà Kassel per la Universitat de Breslau. Comptà amb un laboratori de nova construcció. Fou llavors quan conegué Gustav Robert Kirchhoff, de 26 anys, i que s’havia fet un nom pels seus estudis sobre electricitat.

Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) i Robert Bunsen (1811-1899) retratats a Breslau en el 1850

.

Després de tres semestres, Bunsen deixà Breslau per ocupar la plaça que Leopold Gmelin (1788-1853) havia deixat vacant a la Ruprecht-Karls-Universität de Heidelberg en jubilar-se la primavera del 1851. Bunsen ja era un nom consagrat, i les autoritats universitàries li facilitaren la residència i li oferiren un laboratori nou. Aplicà tècniques electrolítiques a aconseguir en estat elemental metalls com el crom, el magnesi, l’alumini, el manganès, el sodi, el bari, el calci i el liti. Amb Henry Roscoe (1833-1915), el 1852, estudiaren la reacció fotoquímica de l’hidrogen i el clor per donar lloc a clorur d’hidrogen. Aquestes i altres reaccions els permeteren formular la “llei de reciprocitat” segons la qual en les reaccions fotoquímiques depenen del producte de la intensitat de la llum incident i de la durada de la incidència.

Kirchhoff, Bunsen i Roscoe

Entre el 1852 i el 1859, Kirchhoff, Bunsen i Roscoe treballaren en el desenvolupament i l’aplicació de l’anàlisi d’espectres d’emissió i d’absorció en la caracterització i identificació de substàncies químiques. Fou el decurs d’aquests estudis, que Bunsen desenvolupà l’encenedor de gas, a partir del model clàssic de Michael Faraday. L’encenedor Bunsen havia d’oferir una flama uniforme, de temperatura constant, per tal de poder aplicar-se òptimament a “l’espectrometria de flama”.

Encenedor Bunsen. El model originari fou desenvolupat en el 1855 per Robert Bunsen i Peter Desaga. L’estabilitat de la flama, a banda de l’aplicació en espectroscòpia, ha estat útil en moltes altres aplicacions de laboratori, com ara en microbiologia. Peter Desaga, d’acord amb Bunsen, detingué els drets comercials de l’encenedor, comercialitzat com a “Bunsenbrenner”

No fou fins l’estiu del 1859 quan Kirchhoff i Bunsen començaren a treballar en el desenvolupament d’un espectroscopi que oferís dades realment reproduïbles. L’octubre del 1859, ja disposaven d’un prototip, amb el qual identificaren els espectres característics dels tres metalls alcalins, el liti, el sodi i el potassi. Calia afinar al màxim les purificacions per tal d’assegurar la identitat química de cada línia espectral, cosa que garantia la cèl•lula electroquímica de Bunsen.

L’espectroscopi de Kirchhoff

Una vegada ben caracteritzats els espectres dels elements químics més abundants, hom podia passar a l’anàlisi de mostres complexes. En mostres d’aigua mineral de Dürkheim, Bunsen trobà línies espectrals en la banda del blau que no encaixaven amb les dels elements químics que havia caracteritzat. Sospità que es tractava d’un element químic desconegut, i es posà a la tasca d’aïllar-lo. Per fer-ho va haver de destil•lar, durant la primavera del 1860, 40 tones d’aquesta aigua mineral, obtenint finalment 17 grams d’una sal de l’element responsable d’aquelles línies, al qual denominà “cesi” (pel mot llatí, caesium, emprat per referir-se a un blau clar o a un blau verdós).

Lepidolita de color rosa, procedent de Virgem da Lapa (Minas Gerais)

Un ample ventall de mostres mineralògiques fou analitzat a través de l’espectroscopi de Kirchhoff. En la lepidolita, un tipus de mica, Bunsen i Kirchhoff detectaren unes línies espectrals “òrfenes” en la banda del vermell. Calia pensar que eren davant d’un element químic no-identificat. Per trobar l’element desconegut, van sotmetre el material a diferents tècniques de separació, com ara la precipitació amb àcid cloroplatínic (H2PtCl6•(H2)O)6). Cada fracció obtinguda era reanalitzada, per tal de comprovar si les línies persistien o desapareixien. Establert el mètode de purificació, arribaren a consumir un total de 150 kg de lepidolita per obtindre uns 360 grams de l’òxid de l’element en qüestió. Denominaren l’element com a “rubidium”, d’acord amb l’adjectiu llatí “rubidum”, que vol dir ros o daurat, però que també pot fer referència a un to vermell. Aquesta descoberta fou publicada en un article a Annalen der Physik sota el títol “Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen

El nom de rubidi fa referència al color que presenten compostos d’aquest element en una flama. No és un color gaire distingible del potassi, la qual cosa fa necessari l’ús de mètodes espectroscòpics per distingir-los

Bunsen i Kirchhoff processaren després 44000 litres d’aigua mineral a la percaça de compostos de cessi i de rubidi. L’àcid cloroplatínic fa precipitar tant el potassi com el rubidi, donant lloc als hexacloroplatinats respectius. Ara bé, l’hexacloroplatinat de rubidi és lleugerament menys soluble que l’hexacloroplatinat de potassi en aigua calenta, de manera que se’l pot separar per cristal•lització fraccional. L’hexacloroplatinat de rubidi pot ser reduït amb gas H2 per donar lloc a clorur de rubidi. En qualsevol cas, dels 44000 litres d’aigua mineral, Bunsen i Kirchhoff aconseguiren aïllat 9,2 g de clorur de rubidi i 7,3 g de clorur de cesi.

D’acord amb la determinació de Bunsen i Kirchhoff a partir del clorur, el pes atòmic del Rb era de 85,36. Però volgueren confirmar aquesta dada en rubidi elemental. Fongueren clorur de rubidi i l’introduïren en la cèl•lula electroquímica. No obstant, “ni a ull nu ni sota el microscopi hi havia cap rastre de substància metàl•lica”. El conjunt d’experiments els duia a pensar que el clorur de rubidi era un subclorur de fórmula Rb2Cl. Bunsen intentà després purificar rubidi a partir de tartrat de rubidi torrat. No n’obtingué grans quantitats, però aconseguí unes bones determinacions de densitat (1530 g•cm-3) i de punt de fusió (39,3ºC).

Estudis posteriors situaven el rubidi més aviat entre els metalls alcalins, com indicaven les fórmules del seu clorur (RbCl i no Rb2Cl) i del seu òxid (Rb2O). Aquesta identificació fou a la base d’alguns intents de sistematitzar els elements químics. Així John Newlands assignava al rubidi un nombre atòmic de 30, i l’incloïa en el grup del liti (al costat del sodi, del potassi, del coure, de l’argent, del cesi i de l’osmi).

En el 1870, els estudis de Lothar Meyer (1830-1895) sobre la relació entre pes atòmic i volum atòmic mostraven l’existència d’uns pics periòdics, cadascun encapçalat per un metall alcalí: sodi, potassi, rubidi i cesi.

Dmitri Mendeleev féu en el 1869 una proposta de taula periòdica d’elements. En aquesta proposta, el rubidi, amb un pes atòmic de 85,4, apareix en el quart període del grup format pel liti (primer període), el sodi (segon), el potassi (tercer), el cesi (cinquè) i el tal•li (sisè).

En el 1871, Mendeleev elabora una taula més compacta. Dins del grup 1, inclou H (primer període), Li (segon), Na (tercer), K (quart), Cu (cinquè), Rb (sisè), Ag (setè), Cs (vuitè) i Au (onzè). La tendència posterior, però, serà a deixar fora d’aquesta agrupació el coure, l’argent i l’or, de manera que el rubidi passà al cinquè període.

Els avenços de la química i de l’espectroscopia no feren més que eixamplar el prestigi del treball seminal de Kirchhof i de Bunsen. Quan la Royal Society of London instituí la Medalla Davy a “descobriments destacats en la història recent de qualsevol branca de la química” els primers guardonats foren Bunsen i Kirchhof “per les recerques i descobertes en l’anàlisi d’espectre”. La figura de Bunsen també fou molt reconeguda en tant que mentor de noms que adquiriren després gran rellevància (Adolf von Baeyer, Fritz Haber, Philipp Lenard, etc.). Bunsen es retirà de la Universitat de Heidelberg en el 1889, si bé continuà residint en la ciutat. No abandonà el treball científic, si bé l’adreçà més específicament a la geologia i a la mineralogia. Es morí el 16 d’agost del 1899, a 88 anys.

En el 1908, Norman Campbell i A. Wood estudiaren les emissions radioactives de mostres naturals de metalls alcalins. Trobaren certs nivells d’emissions en mostres de potassi i de rubidi. En els anys següents, aquesta observació fou matèria de controvèrsia. En qualsevol cas, l’activitat era prou baixa.

A partir dels anys 1920, compostos de rubidi va trobant aplicacions en química i en electrònica, inicialment amb finalitats de recerca. George de Hevesy (1885-1966) aconseguí per primera vegada l’obtenció de rubidi en estat elemental.

Pel que fa a la radioactivitat natural del rubidi fou finalment atribuïda a l’isòtop 87Rb, que decau a 87Sr, per bé que amb una semivida notablement llarga. G. M. Lewis (1952) la determinà, a partir d’un cristall de iodur de rubidi en 5,9•1010 anys.

En el 1995, Eric A. Cornell i Carl E. Wieman aconseguiren per primera vegada la síntesi en el laboratori d’un condensat de Bose-Einstein en refredar uns 2000 àtoms de 87Rb a 2•10-8 K. El condensat de Bose-Einstein, predit en el 1924-1925, per Satyendra Nath Bose i Albert Einstein, és un estat d’agregació de la matèria en el qual els efectes quàntics esdevenen aparents a escala macroscòpica.

El rubidi: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del rubidi és de 85,4678 uma, que deriva de la mitjana ponderada dels seus dos isòtops més abundants, 85Rb i 87Rb. Com que el segon és un isòtop inestable, la tendència secular en l’univers és cap a una reducció continuada de la massa atòmica mitjana. En qualsevol cas, un llistat complet dels isòtops coneguts faria:
– rubidi-71 (71Rb; 70,96532 uma). Nucli format per 37 protons i 34 neutrons. És un isòtop molt inestable. Decau a criptó-70, amb emissió d’un protó.
– rubidi-72 (72Rb; 71,95908 uma). Nucli format per 37 protons i 35 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida inferior a 1,5•10-6 s. Decau a criptó-71, amb emissió d’un protó. Posseeix un estat metastable (72mRb) a 100 keV, que té una semivida de 10-6 s, i que decau directament a criptó-71.
– rubidi-73 (73Rb; 72,95056 uma). Nucli format per 37 protons i 36 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida inferior a 3•10-8 s. Decau a criptó-72, amb emissió d’un protó.
– rubidi-74 (74Rb; 73,944265 uma). Nucli format per 37 protons i 37 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,06476 s. Decau a criptó-74, amb emissió d’un positró.
– rubidi-75 (75Rb; 74,938570 uma). Nucli format per 37 protons i 38 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 19 s. Decau a criptó-75, amb emissió d’un positró.
– rubidi-76 (76Rb; 75,9350722 uma). Nucli format per 37 protons i 39 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 36,5 s. Decau normalment a criptó-76 (amb emissió d’un positró) i molt rarament (0,00000038%) a seleni-72 (amb emissió d’un nucli d’heli-4 i d’un positró). Posseeix un estat metastable (76mRb) a 316,93 keV, que té una semivida de 3,05•10-6 s.
– rubidi-77 (77Rb; 76,930408 uma). Nucli format per 37 protons i 40 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 226 s (4 minuts). Decau a criptó-77, amb emissió d’un positró.
– rubidi-78 (78Rb; 77,928141 uma). Nucli format per 37 protons i 41 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1060 s (18 minuts). Decau a criptó-78, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (78mRb) a 111,20 keV, que té una semivida de 344 s, i que decau bé a l’estat basal (10%) o directament a criptó-78 (90%).
– rubidi-79 (79Rb; 78,923989 uma). Nucli format per 37 protons i 42 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1370 s (23 minuts). Decau a criptó-79, amb emissió d’un positró.
– rubidi-80 (80Rb; 79,922519 uma). Nucli format per 37 protons i 43 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 33,4 s. Decau a criptó-80, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (80mRb) a 494,4 keV, que té una semivida de 1,6•10-6 s.
– rubidi-81 (81Rb; 80,918996 uma). Nucli format per 37 protons i 44 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,645•104 s (5 hores). Decau a criptó-81, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (81mRb), que té una semivida de 1830 s) i que decau bé a l’estat basal (97,6%) o directament a criptó-81 (2,4%).
– rubidi-82 (82Rb; 81,9182086 uma). Nucli format per 37 protons i 45 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 76,38 s. Decau a criptó-82, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (82mRb) a 69,0 keV, que té una semivida de 2,330•104 s, i que bé a l’estat basal (0,33%) o directament (99,67%) a criptó-82. És emprat en tomografia d’emissió de positrons, per exemple en la valoració de la perfusió miocàrdica, o en la localització de tumors cerebrals. Per aquestes i altres aplicacions, el 82Rb és obtingut a partir de 82Sr, al seu torn obtingut de manera sintètica.
– rubidi-83 (83Rb; 82,915110 uma). Nucli format per 37 protons i 46 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7,45•106 s (86 dies). Decau a criptó-83 per captura electrònica. Posseeix un estat metastable (83mRb) a 42,11 keV, que té una semivida de 0,0078 s, i que decau a l’estat basal.
– rubidi-84 (84Rb; 83,914385 uma). Nucli format per 37 protons i 47 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,86•106 s (33 dies). Decau majoritàriament (96,2%) a criptó-84 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (3,8%), a estronci-84 (amb emissió d’un electró). Posseeix un estat metastable (84mRb), que té una semivida de 1216 s, i que o bé decau a l’estat basal (>99,9%) o, directament, a criptó-84 (<0,1%).
– rubidi-85 (85Rb; 84,911789738 uma). Nucli format per 37 protons i 48 neutrons. És l’únic isòtop estable del rubidi. Assoleix una abundància relativa de 72,17%. Una porció del 85Rb és producte de la fissió d’isòtops radioactius pesants.
– rubidi-86 (86Rb; 85,91116742 uma). Nucli format per 37 protons i 49 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,6107•106 s (19 dies). Decau normalment (99,9948%) a estronci-86 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,0052%), a criptó-86 (per captura electrònica). Posseeix un estat metastable (86mRb) a 556,05 keV, que té una semivida de 61,02 s, i que decau a l’estat basal.
– rubidi-87 (87Rb; 86,909180527 uma). Nucli format per 37 protons i 50 neutrons. És un isòtop inestable, per bé que amb una semivida molt llarga, de 1,554•1018 s (49 mil milions d’anys, més de tres vegades superior a l’edat actual de l’univers). Decau a estronci-87 (amb emissió d’un electró). La gran majoria de la dotació inicial de 87Rb continua intacta (radionúclid primordial). Una part del 87Rb resulta de la fissió d’isòtops radioactius més pesants. Tot plegat, fa que l’abundància relativa d’aquest isòtop sigui del 27,83%. Degut al 87Rb, el rubidi natural és radioactiu, per bé que feblement (cal 30-60 dies d’exposició perquè se’l pugui detectar per autoradiografia). Les ratios 87Rb/87Sr i 87Sr/86Sr són emprades en geocronologia (datació de rubidi-estronci).
– rubidi-88 (88Rb; 87,91131559 uma). Nucli format per 37 protons i 51 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1066,4 s (18 minuts). Decau a estronci-88, amb emissió d’un electró.
– rubidi-89 (89Rb; 88,912278 uma). Nucli format per 37 protons i 52 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 907,2 s (15 minuts). Decau a estronci-89, amb emissió d’un electró.
– rubidi-90 (90Rb; 89,914802 uma). Nucli format per 37 protons i 53 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 158 s. Decau a estronci-90, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (90mRb) a 106,90 keV, que té una semivida de 258 s, i que decau bé a l’estat basal (2,6%) o , directament, a estronci-90 (97,4%).
– rubidi-91 (91Rb; 90,916537 uma). Nucli format per 37 protons i 54 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 58,4 s. Decau a estronci-91, amb emissió d’un electró.
– rubidi-92 (92Rb; 91,919729 uma). Nucli format per 37 protons i 55 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,492 s. Decau normalment (99,98%) a estronci-92 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,0107%) a estronci-91 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– rubidi-93 (93Rb; 92,922042 uma). Nucli format per 37 protons i 56 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,84 s. Decau majoritàriament (98,65%) a estronci-93 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (1,35%), a estronci-92 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix un estat metastable (93mRb) a 253,38 keV, que té una semivida de 5,7•10-5 s.
– rubidi-94 (94Rb; 93,926405 uma). Nucli format per 37 protons i 57 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,702 s. Decau majoritàriament (88,99%) a estronci-94 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (10,01%), a estronci-93 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– rubidi-95 (95Rb; 94,929303 uma). Nucli format per 37 protons i 58 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,3775 s. Decau majoritàriament (91,27%) a estronci-95 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (8,73%), a estronci-94 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– rubidi-96 (96Rb; 95,93427 uma). Nucli format per 37 protons i 59 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,2028 s. Decau majoritàriament (86,6%) a estronci-96 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (13,4%), a estronci-95 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix un estat metastable (96mRb) a 0,2 keV, que té una semivida de 0,2 s, i que pot decaure a l’estat basal o, directament, a estronci-96 o estronci-95.
– rubidi-97 (97Rb; 96,93735 uma). Nucli format per 37 protons i 60 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,1699 s. Decau majoritàriament (74,3%) a estronci-97 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (25,7%), a estronci-96 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– rubidi-98 (98Rb; 97,94179 uma). Nucli format per 37 protons i 61 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,114 s. Decau majoritàriament (86,14%) a estronci-98 (amb emissió d’un electró) o, alternativament, a estronci-97 (13,8%; amb emissió d’un neutró i d’un electró) o a estronci-96 (0,051%; amb emissió de dos neutrons i d’un electró). Posseeix un estat metastable (98mRb) a 290 keV, que té una semivida de 0,093 s, que decau directament a estronci-97.
– rubidi-99 (99Rb; 98,94538 uma). Nucli format per 37 protons i 62 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0503 s. Decau majoritàriament (84,1%) a estronci-99 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (15,9%), a estronci-98 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– rubidi-100 (100Rb; 99,94987 uma). Nucli format per 37 protons i 63 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,051 s. Decau majoritàriament (94,25%) a estronci-100 (amb emissió d’un electró) o, alternativament, a estronci-99 (5,6%; amb emissió d’un neutró i d’un electró) o a estronci-98 (0,15%; amb emissió de dos neutrons i d’un electró).
– rubidi-101 (101Rb; 100,95320 uma). Nucli format per 37 protons i 64 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,032 s. Decau majoritàriament (69%) a estronci-101 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (31%), a estronci-100 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– rubidi-102 (102Rb; 101,95887 uma). Nucli format per 37 protons i 65 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,037 s. Decau majoritàriament (82%) a estronci-102 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (18%), a estronci-101 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).

L’àtom neutre de rubidi conté 37 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p65s1. Això el situa com el primer element del període 5, dins del grup 1 (metalls alcalins, bloc s). L’estat d’oxidació més habitual és +1 (ió Rb+; corresponent a la cessió de l’electró de la capa 5, relativament favorable, amb una energia d’ionització de tan sols 406 KJ•mol-1), si bé també pot presentar 0 i -1. El radi atòmic és de 2,48•10-10 m, i el radi de Van der Waals de 3,03•10-10 m.

Rubidi elemental en una àmpula. El rubidi en estat pur és un material perillós per la seva reactivitat amb l’aire i l’aigua. Per aquesta raó, se’l sol conservar bé segellat en atmosferes inerts o immergit en oli mineral sec

En condicions estàndards de pressió i temperatura, el rubidi elemental es presenta com un sòlid metàl•lic de color blanc argentí, molt tou i dúctil. A 273 K i a 101325 Pa, la densitat és de 1532 kg•m-3. El rubidi elemental, com els altres metalls alcalins, reacciona violentament amb l’aigua, amb formació de gas hidrogen que pot arribar a entrar en ignició. El rubidi elemental pot entrar en ignició espontània en contacte amb l’aire. La seva reactivitat, entre els metalls alcalins, ocupa un lloc intermedi entre el potassi i el cesi. El rubidi metàl•lic pot formar aliatges amb els altres metalls alcalins (excepte el liti), el ferro i l’or, i pot amalgamar-se amb el mercuri

En condicions estàndards de pressió, el rubidi elemental fon a 312,45 K. En el punt de fusió, la densitat del rubidi líquid és de 1460 kg•m-3.

En condicions estàndards de pressió, el punt d’ebullició del rubidi és a 961 K.

En contacte amb l’aire, el rubidi elemental dóna lloc a una sèrie d’òxids: Rb2O, Rb6O, Rb9O2. Davant un excés d’O2 pot formar-se un superòxid (RbO2). L’hidròxid de rubidi (RbOH) és emprat en diversos processos químics.

El rubidi forma sals amb tots els halògens. Destaca, en particular, el clorur de rubidi (RbCl), emprat en bioquímica.

L’abundància del rubidi en l’univers és el resultat dels processos de nucleosíntesi dels estels massius, de l’estabilitat dels seus isòtops i del fet de ser producte de la fissió d’isòtops radioactius pesants. En qualsevol cas, com correspon als elements de nombre Z imparell, el rubidi és menys abundant atòmicament que els elements que el flanquegen en la taula periòdica a l’esquerra (criptó) i a la dreta (estronci). Dels elements de Z inferior, el rubidi tan sols depassa en abundància atòmica el beril•li. D’altra banda, dels elements de Z superior, tan sols el guanya, a banda de l’estronci, el zirconi.

En el planeta Terra, el rubidi presenta una abundància de 0,40 ppm en termes de massa (0,12 ppm en termes atòmics). En l’escorça terrestre, el rubidi és el 23è element més abundant en termes de massa (90 ppm). El rubidi és classificat entre els elements litòfils. Degut al seu elevat radi iònic (37 vegades el de l’hidrogen) és comptat entre els elements incompatibles, per la dificultat dels ions Rb+ d’ocupar els llocs catiònics dels minerals. Així, en la cristal•lització fraccional del mantell, el rubidi tendeix a quedar més en la fracció magmàtica que no en la fracció mineral. D’aquesta manera, els dipòsits amb major concentració de rubidi són les pegmatites. Teertstra et al. (1998) descrigueren la rubiclina ((Rb,K)AlSi3O8) en una pegmatita que contenia pol•lucita a San Piero in Campo (Elba), amb un contingut de rubidi del 17,5%. També s’han descrit quantitats comparables en dipòsits de pol•lucita del llac Bernic (Manitoba). No obstant, la principal font comercial del rubidi continua a ésser la lepidolita (K(Li,Al,Rb)3(Al,Si)4O10(F,OH)2), que té continguts de rubidi que van del 03,% al 3,5%. Altres minerals que contenen fins a un 1% d’òxid de rubidi són la leucita, la carnal•lita o la zinnwaldita, així com minerals de potassi (potassa, etc.).

El contingut de rubidi en la hidrosfera continental varia d’acord amb el context geològic. En l’oceà, la concentració mitjana és de 125 mg•m-3.

La presència del rubidi en l’atmosfera és en forma de traça.

El rubidi no és comptat entre els bioelements, tot i que alguns indicis assenyalen un possible rol neurològic (Canavese et al., 2001). La seva presència a la biosfera, normalment com a Rb+, es deu a una entrada associada al K+. Així s’explica que tendeixi a concentrar-se en els fluids intracel•lulars. És possible que l’acció neurològica atribuïda al rubidi tingui a veure amb la modulació dels bescanvis de potassi.

En un cos humà de 70 kg, el contingut de rubidi seria de 0,68 g, d’acord amb una concentració de 4,6 ppm en termes de massa (0,33 ppm en termes atòmics).

El rubidi sembla ben tolerable per l’organisme humà. Fieve et al. (1971) administraren quantitats de RbCl a quatre voluntaris, arribant a multiplicar per 50 o 100 vegades, de manera aguda, el contingut corporal típic de rubidi, sense mostrar efectes negatius. Valors superiors poden comportar un efecte tòxic en desplaçar els cations K+.

Durant un temps, hom atribuí al Rb+ accions neurològiques, com ara atenuar els extrems en trastorns maníaco-depressius. Paschalis et al. (1978) investigant aquests efectes calcularen una vida mitjana del rubidi en l’organisme de 31-46 dies, prou llarga com perquè alertessin dels riscos d’acumulació.

Les aplicacions del rubidi

La producció mundial del rubidi és de 2-4 tones per any. Se l’aïlla de minerals com la pol•lucita o la lepidolita mitjançant cristal•lització fraccionada, donant lloc a un alum de rubidi i cessi ((Cs,Rb)Al(SO4)2•12H2O) que, després d’una sèrie de processos de purificació genera alum de rubidi. Uns altres processos de purificació empren clorostanat o ferrocianur. En qualsevol cas, parlem d’una producció limitada d’un element amb escasses aplicacions quantitatives. Si en els anys 1950-1960, el rubidi era essencialment un subproducte de la producció de potassi, actualment és bàsicament un subproducte de la cel cesi.

Entre les aplicacions del rubidi podem esmentar:
– el rubidi és emprat com l’element resonant en alguns rellotges atòmics i en altres instruments que requereixen una temporització d’alta precisió. Els estàndards de rubidi ofereixen respecte dels estàndards de cesi una major precisió i un menor cost.
– compostos de rubidi són emprats en pirotècnia per aconseguir color porpre i tonalitats semblants.
– el iodur d’argent i de rubidi (RbAg4I5) és el sòlid cristal•lí iònic amb una conductivitat elèctrica més elevada a temperatura ambient. És aprofitat en bateries de pel•lícula fina.
– el carbonat de rubidi (Rb2CO3) és emprat en la confecció d’alguns vidres òptics.
– el clorur de rubidi (RbCl) és emprat com a biomarcador i com a agent transformador (per afavorir la capacitació d’ADN exògen per cèl•lules).
– l’hidròxid de rubidi (RbOH) és emprat en diversos processos químics.
– algunes propostes de generadors termoelèctrics, que apliquen el principi magnetohidrodinàmica, empren Rb+.
– ja hem vist com 87Rb fou el primer material que fou dut a una condensació de Bose-Einstein. Per raons similars és emprat en el refredament de làsers.
– el vapor rubidi, bombejat amb làser, s’utilitza com a agent polaritzador de 3He.

Rellotge atòmic de font de rubidi del United States Naval Observatory. La transicions hiperfines del rubidi, ben conegudes, poden emprar-se en la mesura precisa del temps. Encara que la definició actual del segon depèn d’una transició hiperfina del cesi, hi ha una tendència creixent a l’ús dels estàndards del rubidi per a dispositius que requereixen una elevada precisió temporal, com ara en sistemes de posicionament

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: