Nuestro viaje por la tabla periódica continúa con la serie Conoce tus elementos. Hemos recorrido ya más de un tercio de la tabla; en el último artículo hablamos del elemento de treinta y seis protones, el kriptón, uno de los gases inertes –electrónicamente estables–. Como dijimos entonces, la estabilidad y la inestabilidad electrónicas están siempre muy cerca la una de la otra, de modo que hoy hablaremos de un elemento extraordinariamente inestable – el de treinta y siete protones: el rubidio.
Aunque hayamos mencionado antes este concepto en la serie, merece la pena un breve recuerdo, ya que puede resultar a veces poco intuitivo. Podría parecer lógico que la estabilidad electrónica cambiase gradualmente, de modo que los elementos más estables –como el kriptón– tuvieran un número de protones muy próximo al de otros algo menos estables, y que los más inestables tuvieran un número de protones muy diferente. Sin embargo, pasa justo al revés: el elemento de treinta y seis protones, el kriptón, está acompañado por el de treinta y cinco –el bromo– y el de treinta y siete –el rubidio–, ambos terriblemente inestables.
Puedes imaginar la situación con un tipo de equilibrio diferente y más fácil de visualizar para nosotros. Imagina una moneda sobre una mesa, en equilibrio estable –es decir, sobre una de sus caras–. Dado que el equilibrio es estable, sería algo análogo al kriptón. Si inestabilizamos ligeramente la moneda levantando un poquito un extremo, la moneda se encuentra en una situación tremendamente inestable: rápidamente volverá a la estabilidad en cuanto la soltemos. Desde luego podemos evitar que se haga estable si sujetamos ese extremo, a un milímetro sobre la mesa, con el dedo.
Ahora bien, imagina que elevamos el extremo de la moneda casi hasta tenerla vertical sobre su canto, de modo que sólo haya una pequeña desviación desde la vertical. La moneda es inestable, como en el caso anterior, pero es más fácil mantenerla en ese estado de inestabilidad. No hay más que sujetarla con el dedo, pero es necesaria una fuerza mucho menor para mantener la inestabilidad que cuando la situación es casi estable.
Esto es una analogía, con todos los agujeros de cualquier analogía, pero espero que sirva para ver por qué siempre encontramos “islas de estabilidad” rodeadas de elementos extremadamente inestables como el de hoy. El rubidio tiene una configuración electrónica tan similar al kriptón –simplemente tiene que librarse de un electrón para ser idéntico a él electrónicamente hablando– que su tendencia hacia la estabilidad es demoledora, con lo que es rarísimo que se mantenga en su situación inestable de treinta y siete electrones.
De hecho, dudo que alguna vez hayas estado cerca de rubidio con treinta y siete electrones. Lo que sí es seguro es que has estado cerca de rubidio en general – no sólo eso, sino que ahora mismo lo hay dentro de tu cuerpo, ¡y encima, parte de él es radioactivo dentro de ti! Pero vamos por partes.
El rubidio no es terriblemente común ni en el Universo en general ni en la Tierra en particular: ocupa tan sólo el número 23 en abundancia en la corteza terrestre. Esto, combinado con su inherente inestabilidad, hizo que no lo conociésemos hasta hace bastante poco tiempo – escapó incluso a la fiebre descubridora del siglo XVIII. No así a la del XIX, ya que por entonces ya disponíamos de técnicas experimentales muy afiladas.
Antes de eso tuvimos contacto con él, por supuesto –ya he dicho que está en tu propio cuerpo–, pero sin darnos cuenta. El rubidio no forma rocas en las que sea un elemento principal, ni mucho menos, sino que suele estar “oculto”, intercalado con átomos de otros elementos de configuración muy similar. Dado que estamos hablando de un elemento “con un electrón de más” respecto a la estabilidad, esto significa que el estado de oxidación más común del rubidio, con mucha diferencia, es +1. Dicho de otro modo, se trata de un metal alcalino, electrónicamente similar al litio, el sodio o el potasio.
Por lo tanto, la manera más fácil de encontrar rubidio en la naturaleza es buscar en minerales que contengan, por ejemplo, potasio: algunos de los átomos que deberían ser potasio serán rubidio, ya que ambos se comportan químicamente de una manera razonablemente similar –aunque el rubidio es más pesado, por supuesto–. Pero se trata de cantidades tan minúsculas que las técnicas químicas normales eran incapaces de detectar la diferencia entre ambos. Hacía falta algo nuevo.
Ese algo nuevo fue una técnica diseñada por dos científicos alemanes a los que ya conoces bien porque hacen apariciones esporádicas en El Tamiz en varias series: Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen.
Gustav Kirchhoff (izq.) y Robert Bunsen (der.) [dominio público].
Desde hacía tiempo era conocido el hecho de que la llama producida al quemar una sustancia, o el brillo emitido por la misma sustancia incandescente, era diferente dependiendo de la composición química de la sustancia. Al someter dos rocas diferentes a una potente llama, por ejemplo, el color de la llama dependía de la composición química de las rocas. Dicho de otro modo, era posible diferenciar composiciones químicas diferentes mediante el color de las llamas. Pero esto se hacía de una forma cualitativa y algo chapucera.
En 1855 se produjo un avance fundamental en la Universidad de Heidelberg: Robert Bunsen, junto con el mecánico de la Universidad, Peter Desaga, diseñó un nuevo tipo de mechero de laboratorio. Este nuevo mechero era capaz de producir una llama muy caliente y sobre todo muy limpia: apenas emitía hollín o cenizas y no era demasiado brillante. En vez de brillar con un color naranja o amarillo, los mecheros Bunsen-Desaga –hoy llamados simplemente mecheros Bunsen– emitían una llama azul profundo, muy poco luminosa pero de una temperatura muy grande, cuando se permitía el máximo flujo de oxígeno.
Llama de mechero Bunsen dependiendo del flujo de aire: de flujo mínimo (izq.) a máximo (der.) [Arthur Jan Fijałkowski / Creative Commons 3.0 Attribution-Sharealike License].
El mechero Bunsen abrió la puerta: era posible someter diferentes sustancias a la llama de azul profundo, y su elevada temperatura afectaba incluso a rocas que ni siquiera notarían una llama corriente. A consecuencia de la llama original, la sustancia añadía un color nuevo procedente de los compuestos de su interior, de modo que era posible detectar su presencia observando el color modificado de la nueva llama. Y esto era muy útil de manera cualitativa o si los elementos de la sustancia existían en gran cantidad, pero no tanto cuando la diferencia entre dos sustancias era sutil o había una cantidad muy pequeña del elemento a detectar. Una vez más, hacía falta algo nuevo.
Afortunadamente, Bunsen no estaba solo. A partir de 1859 formó equipo con Gustav Kirchhoff, y ambos se propusieron realizar un análisis de diversas sustancias de un modo muchísimo más meticuloso que nadie antes que ellos, para así poder analizar su composición química con una precisión inaudita. Y fue Kirchhoff quien tuvo la idea que remató el sistema: en vez de analizar el brillo de las llamas asociadas a distintas sustancias sin más, era necesario hacer pasar la luz por un prisma para separar los colores.
Dispersión en gotas de agua: arco iris en las Cataratas del Niágara [ Captain76 / Creative Commons 3.0 Attribution-Sharealike License].
Esto es algo que has experimentado muchas veces, y que se denomina dispersión: diferentes frecuencias luminosas experimentan una refracción ligeramente diferente al atravesar un medio transparente, de modo que las frecuencias mayores –como el azul– cambian más de dirección que las menores –como el rojo–. Es lo que produce, por ejemplo, el arco iris, o los reflejos arcoirisados de muchos cristales cuando la luz los atraviesa y se refleja en su interior.
De modo que la idea de Kirchhoff era someter las sustancias a las llamas de Bunsen, y a continuación analizar no la llama sin más, sino la luz de la llama tras pasar por un prisma. De este modo aparecerían todas las frecuencias luminosas de la llama separadas unas de otras y sería posible identificar cuáles eran conocidas y –de existir alguna desconocida– cuáles no.
Gustav Kirchhoff (izq.) y Robert Bunsen (der.) [dominio público].
Bunsen y Kirchhoff acababan de dar a luz la espectroscopía de emisión. Y pronto se pusieron manos a la obra para identificar posibles nuevos elementos. En tan sólo dos años descubrieron dos: el cesio en 1860 –del que hablaremos en su momento– y el rubidio en 1861. Da una idea del origen de los descubrimientos el hecho de que ambos nombres tienen su origen en colores: azul cielo para el cesio y rojo profundo para el rubidio.
Dado que los alemanes intentaban descubrir elementos nuevos, realizaban los experimentos teniendo en cuenta el hecho de que estaban en el siglo XIX, tras un siglo de multitud de descubrimientos. Dicho de otro modo: de tratarse de elementos abundantes y fáciles de descubrir, hubiesen sido descubiertos ya. De manera que al quemar distintos minerales con los mecheros de Bunsen, intentaban obtener grandes cantidades de las rocas, para que de tratarse de elementos en muy pequeña concentración hubiese al menos una cantidad total considerable en la muestra.
Lepidolita [Rob Lavinsky / iRocks.com / Creative Commons 3.0 Attribution-Sharealike License].
Así, en 1861 sometieron a la llama 150 kg de lepidolita, una roca parecida a la mica que contiene grandes cantidades de potasio. Hoy sabemos que en algunas posiciones los átomos de potasio son sustituidos por otros de litio, aluminio… y rubidio. De los 150 kg de roca, unos doscientos ochenta gramos eran rubidio. La llama procedente del mechero Bunsen se tiñó de una mezcla de colores – pero los dos científicos hicieron pasar la luz a través de un prisma e identificaron una línea espectral roja profunda que no coincidía con ningún elemento conocido.
Bunsen y Kirchhoff no estaban sometiendo rubidio puro a la llama, de modo que no vieron esto, pero aquí tienes una muestra con la suficiente pureza como para que no haga falta ningún prisma para ver el rubor de la llama:
Llama de rubidio [Didaktische.Medien / Creative Commons 3.0 Attribution-Sharealike License].
Por el color de la llama, los dos alemanes bautizaron el nuevo elemento como rubidio. Pronto intentaron aislarlo, o al menos obtener alguna sal del metal que permitiese identificar algunas de sus propiedades, como la masa atómica. Lograron precisamente esto usando cloruro de rubidio (RbCl), y los datos que obtuvieron –densidad, punto de fusión, masa atómica– tienen una precisión estupenda para haber sido obtenidos en la década de 1860.
Los alemanes determinaron que su temperatura de fusión era bastante baja para ser un metal: unos 39 grados centígrados. Dicho de otro modo, es sólido a temperatura ambiente… pero depende del ambiente. En un día soleado se derrite sin remisión.
Lo que nunca consiguieron Bunsen y Kirchhoff es obtener una gran cantidad de rubidio puro como éste:
Rubidio puro [Dnn87 / Creative Commons 3.0 Attribution-Sharealike License].
Como puedes ver en la imagen, para mantener el rubidio así hace falta que esté aislado del aire: en cuanto se expone al O2 atmosférico se oxida rápidamente para formar óxido de rubidio (Rb2O) y diversos peróxidos. Su bello color metálico sólo se mantiene evitando ese contacto – lo cual lo hace absolutamente inútil como metal estructural, además de que el rubidio es bastante blando. Su utilidad no está ahí, y en época de Kirchhoff y Bunsen ni siquiera se consideraba más que una curiosidad de laboratorio.
Y es que el rubidio se presta a experimentos que llaman la atención. El más conocido es el mismo que se puede realizar con otros metales alcalinos: la reacción con agua, algo de lo que hemos hablado ya, por ejemplo, al hacerlo del sodio. Cuando el rubidio se encuentra con agua, produce la siguiente reacción:
Rb + H2O → RbHO + H2
Se producen hidróxido de rubidio (RbHO) e hidrógeno molecular (H2). Además, la reacción es tremendamente exotérmica, es decir, se libera una gran cantidad de energía térmica. Puedes imaginar lo que sucede al mezclar hidrógeno (un gas inflamable) con el oxígeno del aire a una gran temperatura. Pero no hace falta que lo imagines, porque puedes verlo en este vídeo de la Royal Society of Chemistry:
Ésa es la segunda razón de que el rubidio siempre se guarde en ampollas herméticas y en aceite mineral: en el aire puede haber la suficiente humedad para que empiece a producirse la reacción, de modo que la oxidación no es el único peligro de manipular rubidio puro expuesto al aire. No es un metal que pueda tratarse sin el debido respeto.
Pero hay algo más que es muy curioso sobre el rubidio, aunque nos dimos cuenta de ello ya en el siglo XX: era un metal ligeramente radioactivo. Una muestra de rubidio no vela una película fotográfica en muy poco tiempo, como le pasaría a un trozo de radio, pero sí lo hace si se deja la película expuesta al rubidio durante unos tres o cuatro meses.
Cuando se descubrió esto en 1908 no sabíamos por qué, y dado que se trataba de una radioactividad muy ligera tardamos bastante en descubrir la razón exacta: el rubidio de la Tierra es una mezcla de dos isótopos, uno estable y otro inestable. El rubidio-85 tiene 48 neutrones –y 37 protones, claro, o no sería rubidio– y es estable. El 72% de una muestra cualquiera es rubidio-85.
El otro 28% es rubidio-87, con 50 neutrones, que es inestable. Naturalmente, esta proporción tan considerable significa que, de ser un isótopo muy inestable, el rubidio sería enormemente radioactivo, y esto no es así . Además sería imposible mantener un porcentaje tan alto del isótopo inestable salvo que alguna fuente lo estuviera produciendo todo el tiempo – y no hay tal fuente. De hecho, hay otros isótopos radioactivos del rubidio, pero tienen semividas tan bajas que en cualquier roca no existen en cantidades apreciables.
La razón de que haya tal cantidad de rubidio inestable en las rocas es que su inestabilidad es muy ligera. Para que te hagas una idea de esto, imagina que estuvieras mirando un átomo cualquiera de rubidio-87 –el inestable de las rocas–. En cualquier momento, dado que es inestable, podría desintegrarse, pero ¿cuánto tiempo tendrías que esperar? Sería impredecible, por supuesto, pero en promedio te haría falta esperar unos setenta mil millones de años.
No, no es una errata: la vida media del rubidio-87 es más de cinco veces la vida del Universo. Lo cual significa, claro está, que incluso si hubieras estado mirando ese mismo átomo de rubidio desde el Big Bang, muy probablemente aún estaría delante de tus morros. Así de estable es este isótopo inestable.
¿Cómo es posible entonces que notemos la inestabilidad, si el Universo es mucho más joven que la vida media del rubidio-87? Porque en una muestra de roca cualquiera no hay un átomo, ni dos, ni mil: hay billones, trillones o incluso cuatrillones de átomos. Esto significa que algo muy poco probable suceda todo el tiempo a alguno de esos átomos: es como si un millón de personas tuvieran una probabilidad del 0,1% de que les sucediera algo. Es casi seguro que si miras a uno de ellos no le suceda, pero es igualmente seguro que a alguno del millón de personas le sucederá.
El rubidio-87 se desintegra para formar estroncio-87, que es estable, transformando uno de sus neutrones en un protón y emitiendo un electrón y un antineutrino electrónico. Esto significa que las rocas que contienen rubidio contienen también, inevitablemente, pequeñas cantidades de estroncio – cantidades que van aumentando a un ritmo lentísimo con los eones.
Fábrica de elementos transférricos como el rubidio: una supernova en la galaxia NGC 4526 [NASA].
¿De dónde proviene entonces el rubidio-87, si no hay fuentes de este isótopo en las rocas? Pues del mismo sitio que el rubidio-85 y que casi todos los isótopos no demasiado inestables más pesados que el hierro: de una supernova. Como sabes si eres tamicero añejo, nuestro Sol no es una estrella de primera generación, sino que la nube que formó el Sistema Solar primigenio contenía muchos restos de cadáveres estelares de la generación anterior – de ahí que tanto el Sol como la Tierra contengan uranio, radio, oro… o rubidio.
Como digo, todo es curioso: pero durante mucho tiempo el rubidio no tuvo utilidad práctica alguna. De hecho, incluso hoy en día lo usamos en muy pequeña cantidad –entre dos y cuatro toneladas anuales, lo cual es minúsculo comparado con casi cualquier otro metal–. En parte esto es por lo difícil que es encontrarlo en gran concentración, por supuesto, pero también porque no es esencial para casi ninguna rama de nuestra industria.
Esto no quiere decir que no usemos el rubidio: lo hacemos, pero en cantidades muy pequeñas y para usos muy concretos. Por ejemplo, uno de los tipos de reloj atómico más utilizados es el de rubidio, que utiliza una transición electrónica específica del rubidio-87 (sí, el ligeramente inestable) para hacer oscilar un cristal con una precisión extraordinaria. Se trata de una transición entre dos niveles electrónicos de la estructura hiperfina del rubidio-87, que produce radiación de una frecuencia muy precisa.
Reloj atómico de rubidio [Cqdx / Creative Commons 3.0 Attribution-Sharealike License].
Tan precisa es la frecuencia emitida por las transiciones de la estructura hiperfina de los metales alcalinos que un segundo (la unidad de tiempo del Sistema Internacional) se define a partir de una de ellas, aunque no es del rubidio sino del cesio, el otro elemento descubierto por Kirchhoff y Bunsen. Antiguamente se definía a partir de procesos físicos como la rotación de la Tierra sobre su eje, pero las transiciones electrónicas son muchísimo más fiables.
El otro uso que me parece muy interesante del rubidio es el de uno de sus isótopos muy inestables: el rubidio-82, que a diferencia del rubidio-87 no tiene exceso sino defecto de neutrones. La vida media del rubidio-82 no es tan larga como la del 87 ni mucho menos: es de un par de minutos. Esto significa dos cosas: por un lado, una muestra de rubidio-82 se desintegra en bastante poco tiempo, produciendo kriptón-82. Por otro lado y a consecuencia de esto, no es posible encontrar rubidio-82 natural en ninguna parte, ya que no hay fuentes naturales de este isótopo.
Producimos rubidio-82 a partir de isótopos algo más estables de otros elementos, como estroncio-82, y lo hacemos justo en el lugar donde queremos utilizarlo, ¡porque en unos minutos habrá desaparecido! ¿Para qué diantres queremos algo que se desintegra tan deprisa, puedes pensar? La razón es uno de los productos de la desintegración del rubidio-82.
Recuerda que este isótopo es inestable porque tiene defecto de neutrones, no exceso: por lo tanto no alcanza la estabilidad mediante la desintegración beta negativa del rubidio-87, en la que un neutrón libera un electrón y un antineutrino y produce un protón. Sucede justo lo contrario – un protón libera un positrón y un neutrino, y produce un neutrón. Y de todo este trabalenguas de partículas hay una que nos interesa mucho: el positrón.
Imagen producida mediante una TEP.
El rubidio-82 es una excelente fuente de positrones, y se emplea por tanto para realizar tomografías por emisión de positrones (TEP). Ya hemos hablado en detalle de ellas hace mucho tiempo, de modo que no voy a repetir aquí el proceso general, pero sí la razón de que el rubidio se emplee para ello en un caso muy especial, en vez de otros isótopos diferentes.
Esa razón es el hecho de que el rubidio, al ser un metal alcalino como el cesio, el litio o el potasio, se comporta de un modo bastante similar al resto. El rubidio no tiene ningún papel biológico en los seres vivos, pero a menudo es absorbido en los mismos lugares del cuerpo –como determinadas células– en los que se absorbe potasio, que sí es esencial biológicamente.
Así, en algunos tumores cerebrales, las células tumorales sufren cambios en el transporte de potasio a través de la membrana y absorben una mayor cantidad de potasio que las células sanas. Pero si absorben más potasio también absorben más rubidio. Al introducir rubidio-82 en el torrente sanguíneo, el isótopo se acumulará preferentemente en las células del tumor que en las circundantes, y la emisión de positrones permite hacer un “mapa” del tumor sin necesidad de emplear la cirugía. ¿No es maravilloso?
Como digo, el rubidio no tiene papel biológico, y tampoco es tóxico. Tu cuerpo contiene alrededor de un tercio de gramo de rubidio, y lo trata casi exactamente igual que el potasio. Esto significa, por cierto, que también tienes en tu interior un porcentaje razonable de rubidio-87, y que con toda probabilidad algún átomo de rubidio-87 que estaba en tu cuerpo al empezar a leer este artículo se ha desintegrado en estroncio-87. Un átomo que había permanecido inalterado nuclearmente desde que fue producido en el interior de una supernova, hace miles de millones de años.
El mundo es un lugar maravilloso.
En la próxima entrega de la serie, el elemento de treinta y ocho protones que con total seguridad está en tu cuerpo, entre otras cosas, por esa desintegración del rubidio-87: el estroncio.
Para saber más: