Rinaldo Cervellati
Il rubidio (inglese rubidium), simbolo Rb, è l’elemento n. 37 della Tavola Periodica, posto al 1° Gruppo, 5° Periodo, sotto al potassio e davanti al cesio. È un metallo di colore bianco-argenteo, molto morbido nel gruppo dei metalli alcalini. Il rubidio metallico assomiglia al potassio e al cesio per aspetto fisico, morbidezza e conduttività. La sua abbondanza nella crosta terrestre è valutata in 90 ppm. Il rubidio è il ventitreesimo elemento più abbondante nella crosta terrestre, più o meno abbondante come lo zinco e più comune del rame.
Il rubidio fu scoperto nel 1861 da Robert Bunsen[1] e Gustav Kirchhoff[2], a Heidelberg, in Germania, nel minerale lepidolite, mediante spettroscopia di fiamma. A causa delle linee rosse brillanti nel suo spettro di emissione, scelsero un nome derivato dalla parola latina rubidus, che significa “rosso intenso”.
Figura 1. Gustav Kirchhoff e Robert Bunsen
Il rubidio è un componente minore della lepidolite. Kirchhoff e Bunsen lavorarono 150 kg di una lepidolite contenente solo lo 0,24% di monossido di rubidio (Rb2O). Sia il potassio sia il rubidio formano sali insolubili con acido cloroplatinico, ma questi sali mostrano una leggera differenza nella solubilità in acqua calda. Pertanto, l’esacloroplatinato di rubidio meno solubile (Rb2PtCl6) venne ottenuto mediante cristallizzazione frazionata. Dopo la riduzione dell’esacloroplatinato con idrogeno, il processo produsse 0,51 grammi di cloruro di rubidio (RbCl) per ulteriori studi. Il rubidio fu il secondo elemento, subito dopo il cesio, a essere scoperto per spettroscopia, appena un anno dopo l’invenzione dello spettroscopio da parte di Bunsen e Kirchhoff.
I due scienziati utilizzarono il cloruro di rubidio per stimare che il peso atomico del nuovo elemento fosse 85,36 (il valore attualmente accettato è 85,47). Cercarono di ottenere rubidio elementare mediante elettrolisi del cloruro di rubidio fuso, ma, invece di un metallo, ottennero una sostanza omogenea blu, che “né ad occhio nudo né al microscopio mostrava la minima traccia di sostanza metallica”. Presumevano che fosse un subcloruro (Rb2Cl); tuttavia, il prodotto era probabilmente una miscela colloidale di metallo e cloruro di rubidio. In un secondo tentativo di produrre rubidio metallico, Bunsen fu in grado di ridurre a rubidio il tartrato di rubidio riscaldato fino a carbonizzazione. Sebbene il rubidio distillato fosse piroforico, essi furono in grado di determinare la densità e il punto di fusione. La qualità di questa ricerca nei primi anni ’60 del 1800 può essere valutata dal fatto che la loro densità determinata differisce di meno di 0,1 g/cm3 e il punto di fusione di meno di 1 °C dai valori attualmente accettati (1,532 g/cm3; 39,30 oC)
La leggera radioattività del rubidio fu scoperta nel 1908, ma questo prima che la teoria degli isotopi fosse stabilita nel 1910.
Caratteristiche chimico-fisiche
Il rubidio è un metallo bianco-argenteo molto morbido, duttile. È il secondo più elettropositivo fra i metalli alcalini stabili e fonde a una temperatura di 39,3 °C. Come altri metalli alcalini, il rubidio reagisce violentemente con l’acqua. Come per il potassio (che è leggermente meno reattivo) e il cesio (che è leggermente più reattivo), questa reazione è abbastanza vigorosa da accendere l’idrogeno gassoso che produce. Il rubidio si accende spontaneamente nell’aria e deve essere conservato in recipienti chiusi in atmosfera di gas inerte (figura 2).
Figura 2. Campione di rubidio metallico
Forma amalgame con mercurio e leghe con oro, ferro, cesio, sodio e potassio, ma non con il litio.
Il rubidio ha un’energia di ionizzazione molto bassa di soli 406 kJ/mol. Il rubidio e il potassio mostrano un colore viola molto simile nel test alla fiamma (figura 3) e distinguere i due elementi richiede analisi più sofisticate, come la spettroscopia di emissione.
Figura 3. Saggio alla fiamma per il rubidio
Nella crosta terrestre è composto da due isotopi: lo stabile 85Rb (72,2%) e il radioattivo 87Rb (27,8%), con tempo di emivita di 4,9´1010 anni. Il rubidio naturale è radioattivo, con attività specifica sufficiente per esporre in modo significativo una pellicola fotografica in 110 giorni.
Sono stati sintetizzati altri ventiquattro isotopi radioattivi di rubidio con un’emivita inferiore a 3 mesi; la maggior parte sono altamente radioattivi e hanno pochi usi.
Principali composti chimici
Il rubidio ha praticamente solo il numero di ossidazione +1.
Il cloruro di rubidio (RbCl) è il composto più utilizzato: tra molti altri cloruri, viene utilizzato per indurre le cellule viventi ad assorbire il DNA; è anche usato come biomarcatore, perché in natura si trova solo in piccole quantità negli organismi viventi e quando presente, sostituisce il potassio. Altri composti comuni sono l’idrossido di rubidio (RbOH) materiale di partenza per la maggior parte dei processi chimici a base di rubidio; il carbonato di rubidio (Rb2CO3), utilizzato in alcuni vetri ottici, e il solfato di rame e rubidio, Rb2SO4·CuSO4· 6H2O. Lo ioduro d’argento e rubidio (RbAg4I5) ha la più alta conduttività a temperatura ambiente di qualsiasi cristallo ionico noto, una proprietà sfruttata nelle batterie a film sottile e in altre applicazioni.
Il rubidio forma una serie di ossidi quando esposto all’aria, compreso il monossido di rubidio (Rb2O), il rubidio in eccesso di ossigeno dà il superossido RbO2. Sono noti anche i composti Rb6O e Rb9O2, quest’ultimo presente in cluster (figura 4)
Figura 4. Cluster di Rb9O2
Forma sali con gli alogeni, producendo fluoruro di rubidio, cloruro di rubidio, bromuro di rubidio e ioduro di rubidio.
Disponibilità
Il rubidio si trova in natura nei minerali leucite, pollucite, carnallite e zinnwaldite, che contengono fino all’1% di ossido di rubidio. La lepidolite ne contiene tra lo 0,3% e il 3,5% ed è la fonte commerciale dell’elemento (figura 5).
Figura 5. Lepidolite
Alcuni minerali di potassio e cloruri di potassio ne contengono quantità commercialmente significative.
Il rubidio è il diciottesimo elemento più abbondante nell’acqua di mare, che ne contiene una media di 125 µg/L, rispetto al valore molto più alto per il potassio di 408 mg/L e al valore molto più basso di 0,3 µg/L per il cesio.
A causa del suo ampio raggio ionico, il rubidio è uno degli “elementi incompatibili”[3]. Durante la cristallizzazione del magma, il rubidio è concentrato insieme al suo analogo più pesante cesio nella fase liquida e cristallizza per ultimo. Pertanto, i più grandi depositi di rubidio e cesio sono giacimenti di pegmatite formati da questo processo di arricchimento. Poiché il rubidio sostituisce il potassio nella cristallizzazione del magma, l’arricchimento è molto meno efficace di quello del cesio. Anche i giacimenti di pegmatite contenenti quantità estraibili di cesio come pollucite o i minerali di litio lepidolite sono una fonte di rubidio come sottoprodotto.
Due notevoli fonti di rubidio sono i ricchi depositi di pollucite nel lago Bernic, Manitoba, Canada, e la rubiclina ((Rb,K)AlSi3O8), figura 6, che si trova come impurità nella pollucite sull’isola italiana d’Elba, con un contenuto di rubidio del 17,5%.
Figura 6. Rubiclina
Produzione
Sebbene il rubidio sia più abbondante nella crosta terrestre del cesio, le applicazioni limitate e la mancanza di un minerale ricco di rubidio limitano la produzione di composti di rubidio da 2 a 4 tonnellate all’anno. Sono disponibili diversi metodi per separare potassio, rubidio e cesio. La cristallizzazione frazionata di un allume di rubidio e cesio (Cs,Rb)Al(SO4)2·12H2O produce dopo 30 passaggi successivi allume di rubidio puro. Sono riportati altri due metodi, il processo clorostannato e il processo ferrocianuro.[1]
Oggi i maggiori produttori di cesio, come la miniera di Tanco, Manitoba, Canada, producono il rubidio come sottoprodotto della pollucite.
Applicazioni
I composti di rubidio sono talvolta usati nei fuochi d’artificio per dare loro un colore viola. Il rubidio è stato anche considerato per l’uso in un generatore termoelettrico che utilizza il principio magnetoidrodinamico, in cui gli ioni di rubidio caldi vengono fatti passare attraverso un campo magnetico. Questi conducono l’elettricità e agiscono come l’armatura di un generatore, provocando così una corrente elettrica.
Il rubidio, in particolare l’isotopo 87Rb vaporizzato, è una delle specie atomiche più comunemente utilizzate per il raffreddamento laser e la condensazione di Bose-Einstein[4]. Le sue caratteristiche per questa applicazione includono la pronta disponibilità di luce laser a diodi poco costosa alla relativa lunghezza d’onda e temperature moderate richieste per ottenere le necessarie pressioni di vapore.
Il rubidio è stato utilizzato per polarizzare 3He, producendo volumi di gas di elio-3 magnetizzato, con gli spin nucleari allineati piuttosto che casuali. Il vapore di rubidio è pompato otticamente da un laser e polarizza 3He attraverso l’interazione iperfine. Queste celle sono utili per misurazioni di polarizzazione neutronica e per produrre fasci di neutroni polarizzati per altri scopi.
L’elemento risonante negli orologi atomici utilizza la struttura iperfine dei livelli di energia del rubidio ed è utile per tempi di alta precisione (figura 7).
Figura 7. Orologio atomico al rubidio
Viene utilizzato come componente principale dei riferimenti di frequenza secondari (oscillatori al rubidio) nei trasmettitori del sito cellulare e in altre apparecchiature elettroniche di trasmissione, rete e test. Questi standard di rubidio sono spesso usati con i GPS per ottenere uno “standard di frequenza primaria” che ha una maggiore precisione ed è meno costoso degli standard di cesio. Tali standard di rubidio sono spesso prodotti in serie per l’industria delle telecomunicazioni.
Altri usi potenziali o attuali includono un fluido di lavoro nelle turbine a vapore, come assorbente metallico nei tubi a vuoto e come componente delle fotocellule.
Il rubidio è anche usato come ingrediente in particolari tipi di vetro, nella produzione di superossido mediante combustione in ossigeno, nello studio dei canali ionici del potassio in biologia e come vapore nei magnetometri atomici. In particolare, l’isotopo 87Rb viene utilizzato con altri metalli alcalini nello sviluppo di magnetometri senza rilassamento a scambio di spin (SERF)[5].
L’isotopo artificiale rubidio-82 viene utilizzato per la tomografia a emissione di positroni. Il rubidio è molto simile al potassio, quindi i tessuti con un alto contenuto di potassio accumuleranno il rubidio radioattivo. Uno degli usi principali è l’imaging della perfusione miocardica. Come risultato dei cambiamenti nella barriera emato-encefalica nei tumori cerebrali, il rubidio viene assorbito di più nei tumori cerebrali rispetto al tessuto sano, consentendo l’uso del radioisotopo rubidio-82 nella medicina nucleare per localizzarli e visualizzarli. Il rubidio-82 ha un’emivita molto breve di 76 secondi e la produzione dal decadimento di stronzio-82 deve quindi essere eseguita vicino al paziente.
Il rubidio è stato testato per l’influenza sulla depressione e la depressione maniacale. I pazienti in dialisi che soffrono di depressione mostrano una carenza di rubidio, e quindi un’integrazione può aiutare durante la depressione. In alcuni test il rubidio è stato somministrato come cloruro di rubidio fino a 720 mg al giorno per 60 giorni.
Effetti biologici e precauzioni
Il rubidio, come il sodio e il potassio, ha quasi sempre lo stato di ossidazione +1 quando disciolto in acqua, anche in contesti biologici. Il corpo umano tende a trattare gli ioni Rb+ come se fossero ioni potassio e quindi concentra il rubidio nel fluido intracellulare del corpo. Gli ioni non sono particolarmente tossici; una persona di 70 kg contiene in media 0,36 g di rubidio e un aumento di questo valore da 50 a 100 volte non ha mostrato effetti negativi nelle persone testate. Sebbene sia possibile una sostituzione parziale del potassio con il rubidio, quando più del 50% del potassio nel tessuto muscolare dei ratti è stato sostituito i ratti sono morti.
Il rubidio reagisce violentemente con l’acqua e può provocare incendi. Per garantire sicurezza e purezza, questo metallo viene solitamente conservato sotto olio minerale o sigillato in fiale di vetro in un’atmosfera inerte. Il rubidio forma perossidi se esposto anche a una piccola quantità di aria diffusa nell’olio, e lo stoccaggio è soggetto a precauzioni simili a quelle del potassio e del sodio metallici.
Riciclaggio
Nel 2014 un gruppo di ricercatori giapponesi ha brevettato un metodo di riciclaggio di rubidio e cesio da scorie di scarto di estrazione del litio dai suoi minerali [2].
Il metodo prevede le seguenti fasi: macinazione fine, miscelazione dimensionale, separazione porzione liquida dal solido, estrazione e arricchimento, separazione e concentrazione, precipitazione di rubidio e cesio, fusione e sinterizzazione, dissoluzione, idrogenazione, concentrazione una seconda volta, cristallizzazione ed essiccazione in modo da ottenere prodotti finiti, vale a dire carbonato di rubidio e carbonato di cesio. Il metodo ha i seguenti effetti: in primo luogo, una grande quantità di scorie di scarto dall’estrazione del litio lasciate nel processo di produzione convenzionale del litio può essere ampiamente utilizzata ottenendo grandi benefici sociali; in secondo luogo, il tasso di riciclaggio del rubidio e del cesio metallici è elevato e il riciclaggio totale è superiore all’80%; in terzo luogo, si riducono i costi di produzione e i consumi; in quarto luogo, la purezza del prodotto è elevata e alla fine possono essere prodotti carbonato di rubidio (99,9%) e carbonato di cesio (99,9%).
Opere consultate
Handbook of Chemistry and Physics 85th Ed. pag. 4-26
https://en.wikipedia.org/wiki/Rubidium
Bibliografia
[1] W.C. Butterman, R.G. Reese, Jr., Mineral Commodity Profiles: Rubidium,U.S. Geological Survey, Open-File Report 03-045, 2003.
[2] Method for recycling rubidium and caesium from waste lithium extraction slag.
https://patents.google.com/patent/CN103667727A/en
[1] Robert Wilhelm Eberhard Bunsen (1811 – 1899) è stato un chimico tedesco. Ha studiato gli spettri di emissione di elementi riscaldati e ha scoperto il rubidio con il fisico Gustav Kirchhoff.
[2] Gustav Robert Georg Kirchhoff (1824 – 1887) è stato un fisico e matematico tedesco. Inventò con Robert Bunsen lo spettroscopio, dando avvio alla branca della spettroscopia.
[3] Il termine elementi incompatibili, usato dai petrologi e dai geochimici, indica quegli elementi chimici i cui ioni non sono adatti, per le loro dimensioni e/o la loro carica, ai siti cationici del reticolo cristallino del minerale nel quale sono inclusi.
[4] Il condensato di Bose-Einstein, teorizzato nel1924, è un particolare stato della materia in cui i bosoni sono raffreddati a una frazione di grado superiore allo zero assoluto, iniziando a comportarsi come un unicum anziché come particelle separate. È stato realizzato nel 1995 da Eric Allin Cornell, Carl Edwin Wieman e Wolfgang Ketterle, ai quali è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica nel 2001.
[5] Un magnetometro senza rilassamento a scambio di spin (SERF) è un tipo di magnetometro sviluppato all’Università di Princeton (USA) all’inizio degli anni 2000. I magnetometri SERF misurano i campi magnetici utilizzando i laser per rilevare l’interazione tra gli atomi di metalli alcalini in un vapore e il campo magnetico.
La Chimica e la Società 