Rodio: historia, propiedades, estructura, usos, riesgos

El rodio es un metal de transición que pertenece al grupo del paladio y cuyo símbolo químico es Rh. Es noble, inerte en condiciones normales, a la vez que es raro y costoso, ya que es el segundo metal menos abundante en la corteza terrestre. Asimismo, no hay minerales que representen un método de obtención rentable para este metal.

Aunque su apariencia sea la de un típico metal blanco plateado, la mayoría de sus compuestos comparten en común una coloración rojiza, amén de que sus disoluciones lucen tonalidades rosadas. Es por eso que a este metal se le dio el nombre de ‘rhodon’, que en griego significa rosado.

No obstante, sus aleaciones sí son plateadas, a la vez que costosas, ya que se mezcla con platino, paladio e iridio. Su elevado carácter noble lo vuelve un metal casi inmune a las oxidaciones, así como totalmente resistente al ataque de los ácidos y bases fuertes; por lo tanto, sus revestimientos ayudan a proteger objetos metálicos, como las joyas.

Además de su uso ornamental, el rodio también puede proteger a las herramientas utilizadas a altas temperaturas y en dispositivos eléctricos.

Popularmente se le conoce más por ayudar a descomponer los gases tóxicos de los carros (NO_x) dentro de los convertidores catalíticos. También cataliza la producción de compuestos orgánicos, tales como el mentol y el ácido acético.

Curiosamente solo existe en la naturaleza como el isótopo ¹⁰³Rh, y sus compuestos son fáciles de reducir al metal debido a su carácter noble. De todos sus números de oxidación el +3 (Rh³⁺) es el más estable y abundante, seguido del +1 y, en presencia de flúor, el +6 (Rh⁶⁺).

En su estado metálico es inofensivo para nuestra salud, a menos que se respire sus partículas dispersadas en el aire. No obstante, sus compuestos o sales coloridas sí se consideran carcinógenos, además de que se fijan fuertemente a la piel.

Índice del artículo

• 1 Historia
• 2 Propiedades
  • 2.1 Apariencia física
  • 2.2 Masa molar
  • 2.3 Punto de fusión
  • 2.4 Punto de fusión
  • 2.5 Densidad
  • 2.6 Calor de fusión
  • 2.7 Calor de vaporización
  • 2.8 Capacidad calorífica molar
  • 2.9 Electronegatividad
  • 2.10 Energías de ionización
  • 2.11 Conductividad térmica
  • 2.12 Resistividad eléctrica
  • 2.13 Dureza de Mohs
  • 2.14 Orden magnético
  • 2.15 Reacciones químicas
• 3 Estructura y configuración electrónica
  • 3.1 Números de oxidación
• 4 ¿Cómo se obtiene el rodio?
  • 4.1 Inconvenientes
  • 4.2 Proceso
• 5 Usos
  • 5.1 Recubrimientos
  • 5.2 Aleaciones
  • 5.3 Catalizadores
• 6 Riesgos
• 7 Referencias

Historia

El descubrimiento del rodio vino acompañado con el del paladio, ambos metales fueron descubiertos por un mismo científico: el químico inglés William H. Wollaston, quien para 1803 se encontraba examinando un mineral de platino, supuestamente procedente de Perú.

Sabía gracias a Hippolyte-Victor Collet-Descotils, químico francés, que en los minerales de platino había sales rojizas cuyo color probablemente se debía a un elemento metálico desconocido. Así pues, Wollaston digirió su mineral de platino en agua regia, para luego neutralizar la acidez de la mezcla resultante con NaOH.

De esta mezcla Wollaston debió, mediante reacciones de precipitación, ir separando los compuestos metálicos; separó el platino como (NH₄)₂[PtCl₆], tras agregar NH₄Cl, y otros metales los redujo con zinc metálico. A estos metales esponjosos intentó disolverlos con HNO₃, quedando dos metales y dos nuevos elementos químicos: paladio y rodio.

No obstante, cuando adicionó agua regia notó que un metal apenas se disolvía, a la vez que formaba un precipitado rojo con el NaCl: Na₃[RhCl₆]·nH₂O. De aquí provino su nombre: el color rojo de sus compuestos, designado con la palabra griega ‘rhodon’.

Esta sal la redujo con zinc metálico, otra vez, obteniendo así rodio esponjoso. Y desde entonces las técnicas de obtención mejoraron, al igual que la demanda y las aplicaciones tecnológicas, apareciendo finalmente piezas brillantes de rodio.

Propiedades

Apariencia física

Metal blanco plateado, duro, sin prácticamente ninguna capa de óxido a temperatura ambiente. Sin embargo, no es un metal demasiado maleable, lo que significa que al golpearlo se resquebrajará.

Masa molar

102,905 g/mol

Punto de fusión

1964 ºC. Este valor es más alto que el del cobalto (1495 ºC), lo cual refleja un incremento de la fuerza del enlace metálico más fuerte al descender por el grupo.

Punto de fusión

3695 ºC. Es uno de los metales con mayores puntos de fusión.

Densidad

-12,41 g/mL a temperatura ambiente

-10,7 g/mL en el punto de fusión, es decir, justo cuando se derrite o funde

Calor de fusión

26,59 kJ/mol

Calor de vaporización

493 kJ/mol

Capacidad calorífica molar

24,98 J/(mol·K)

Electronegatividad

2,28 en escala de Pauling

Energías de ionización

-Primera: 719,7 kJ/mol (Rh⁺ gaseoso)

-Segunda: 1740 kJ/mol (Rh²⁺ gaseoso)

-Tercera: 2997 kJ/mol (Rh³⁺ gaseoso)

Conductividad térmica

150 W/(m·K)

Resistividad eléctrica

43,3 nΩ·m a 0 ºC

Dureza de Mohs

6

Orden magnético

Paramagnético

Reacciones químicas

El rodio, aunque se trata de un metal noble, no quiere decir que sea un elemento inerte. Apenas se oxida en condiciones normales; pero cuando se calienta por encima de los 600 ºC, su superficie comienza a reaccionar con el oxígeno:

Rh(s)  +  O₂(g)  →  Rh₂O₃(s)

Y el resultado es que el metal pierde su brillo plateado característico.

Asimismo, puede reaccionar con el gas flúor:

Rh(s)  +  F₂(g)  →  RhF₆(s)

El RhF₆ es de color negro. Si este se calienta, puede transformarse en el RhF₅, liberando flúor al ambiente. Cuando la reacción de fluoración se desarrolla en condiciones secas, se favorece la formación del RhF₃ (sólido rojo) por encima que la del RhF₆. Los demás halogenuros: RhCl₃, RhBr₃ y RhI₃ se forman de manera similar.

Quizás lo más sorprendente del rodio metálico sea su extremada resistencia al ataque de las sustancias corrosivas: ácidos y bases fuertes. El agua regia, una mezcla concentrada de ácidos clorhídrico y nítrico, HCl-HNO₃, puede disolverlo con dificultad, lo cual origina una disolución de coloración rosada.

Las sales fundidas, como el KHSO₄, son más efectivas para disolverlo, pues conllevan a la formación de complejos de rodio solubles en agua.

Estructura y configuración electrónica

Los átomos de rodio cristalizan en la estructura cúbica centrada en las caras, fcc. Los átomos Rh permanecen unidos gracias a su enlace metálico, fuerza responsable a macro escala de las propiedades físicas mesurables del metal. En dicho enlace intervienen los electrones de valencia, los cuales vienen dados según la configuración electrónica:

[Kr] 4d⁸ 5s¹

Es pues, una anomalía o excepción, ya que se esperaría que tuviera dos electrones en su orbital 5s, y siete en el orbital 4d (obedeciendo el diagrama de Moeller).

Son en total nueve electrones de valencia los que, junto con los radios atómicos, definen el cristal fcc; estructura que al parecer es muy estable, pues poca información se encuentra de otras posibles formas alotrópicas bajo diferentes presiones o temperaturas.

Estos átomos Rh, o mejor dicho sus granos cristalinos, pueden interaccionar de tal modo que crean nanopartículas con diferentes morfologías.

Cuando estas nanopartículas de Rh crecen encima de una plantilla (un agregado polimérico, por ejemplo), adquieren las formas y dimensiones de su superficie; así, se han diseñado esferas mesoporosas de rhodio para suplantar al metal en ciertas aplicaciones catalíticas (que aceleren reacciones químicas sin consumirse en el proceso).

Números de oxidación

Al haber nueve electrones de valencia, es normal suponer que el rodio pueda “perderlos todos” en sus interacciones dentro de un compuesto; es decir, asumiendo la existencia del catión Rh⁹⁺, con un número o estado de oxidación de 9+ o (IX).

Los números de oxidación positivos y encontrados para el rodio en sus compuestos varían desde +1 (Rh⁺) hasta +6 (Rh⁶⁺). De todos ellos, el +1 y el +3 son los más comunes, junto con el +2 y 0 (rodio metálico, Rh⁰).

Por ejemplo, en el Rh₂O₃ el número de oxidación del rodio es +3, ya que si asume la existencia del Rh³⁺ y un carácter 100% iónico, la sumatoria de las cargas será igual a cero (Rh₂³⁺O₃^2-).

Otro ejemplo lo representa el RhF₆, en el cual ahora su número de oxidación es +6. Nuevamente, solamente la carga total del compuesto permanecerá neutra si se asume la  existencia del Rh⁶⁺ (Rh⁶⁺F₆^–).

Mientras más electronegativo sea el átomo con que interaccione el rodio, mayor será su tendencia a mostrar números de oxidación más positivos; tal es el caso del RhF₆.

En el caso del Rh⁰, corresponde a sus átomos del cristal fcc coordinados con moléculas neutras; por ejemplo, el CO, Rh₄(CO)₁₂.

¿Cómo se obtiene el rodio?

Inconvenientes

A diferencia de otros metales, no hay disponible ningún mineral lo suficientemente rico en rodio para que sea económica su obtención a partir del mismo. Es por eso que se trata más bien de un producto secundario de la producción industrial de otros metales; específicamente los nobles o sus congéneres (los elementos del grupo del platino), y el níquel.

La mayoría de los minerales utilizados como materia prima provienen de Suráfrica, Canadá y Rusia.

El proceso de obtención es complejo debido a que, aun siendo inerte, el rodio se halla en compañía de otros metales nobles, además de que posee impurezas difíciles de eliminar. Por lo tanto, deben llevarse a cabo varias reacciones químicas para irlo separando de la matriz mineralógica inicial.

Proceso

Su poca reactividad química lo mantiene inalterable mientras se van extrayendo los primeros metales; hasta que solo quedan los nobles (el oro entre ellos). Luego, estos metales nobles se tratan y funden en presencia de sales, como el NaHSO₄, para tenerlos en una mezcla líquida  de sulfatos; en este caso, el Rh₂(SO₄)₃.

A esta mezcla de sulfatos, de la cual mediante diferentes reacciones químicas se van precipitando cada metal por separado, se le agrega NaOH, para que se forme hidróxido de rodio, Rh(OH)_x.

El Rh(OH)_x se redisuelve añadiendo HCl y así formar H₃RhCl₆, el cual todavía está disuelto y muestra un color rosado. Después, H₃RhCl₆ reacciona con el NH₄Cl y NaNO₂ para precipitar como (NH₄)₃[Rh(NO₂)₆].

Otra vez, el nuevo sólido se redisuelve en más HCl y el medio se calienta hasta que precipite una esponja de rodio metálico mientras las impurezas combustionan.

Usos

Recubrimientos

Su carácter noble se aprovecha para recubrir piezas metálicas con un revestimiento del mismo. De esta manera, los objetos de plata se revisten de rodio para protegerlo de que se oxiden y oscurezcan (formen una capa negra de AgO y Ag₂S), además de que se vuelven más reflectantes (brillantes).

Tales recubrimientos se utilizan en prendas de joyerías, reflectores, instrumentos ópticos, contactos eléctricos y filtros para rayos X en los diagnósticos de cáncer de seno.

Aleaciones

No solo es un metal noble sino además duro. Esta dureza puede aportarla a las aleaciones que compone, sobre todo cuando se tratan de paladio, platino e iridio; de las cuales, las de Rh-Pt son las más conocidas. Asimismo, el rodio mejora la resistencia de estas aleaciones a las altas temperaturas.

Por ejemplo, las aleaciones de rodio-platino se utilizan como material para fabricar vasos que puedan dar formas al vidrio fundido; en la fabricación de termopares, capaces de medir altas temperaturas (más de 1000 ºC); crisoles, bujes para limpiar fibras de vidrio, bobinas para hornos de inducción, motores de turbinas de aviones, bujías, etc.

Catalizadores

El rodio puede catalizar reacciones ya sea como metal puro o coordinado con ligandos orgánicos (organorodios). El tipo de catalizador depende de la reacción en específico que se pretenda acelerar, amén de otros factores.

Por ejemplo, en su forma metálica puede catalizar la reducción de los óxidos de nitrógeno, NO_x, a los gases ambientales oxígeno y nitrógeno:

2 NO_x → x O₂ + N₂

Esta reacción ocurre constantemente a diario: en los convertidores catalíticos de los vehículos y motocicletas. Gracias a esta reducción, los gases NO_x no contaminan en un grado peor las ciudades. Para este propósito se han utilizado nanopartículas mesoporosas de rodio, las cuales mejoran todavía más la descomposición de los gases NO_x.

El compuesto [RhCl(PPh₃)₃], conocido como catalizador de Wilkinson, se utiliza para hidrogenar (añadir H₂) e hidroformilar (añadir CO y H₂) alquenos, para formar así alcanos y aldehídos, respectivamente.

Los catalizadores de rodio se usan resumidamente para hidrogenar, carbonilar (añadir CO) e hidroformilar. El resultado es que muchos productos son dependiente de ellos, como es el caso del mentol, compuesto químico imprescindible en la goma de mascar; además del ácido nítrico, ciclohexano, ácido acético, organosilicios, entre otros.

Riesgos

El rodio por ser un metal noble, aunque se colara dentro de nuestro organismo, sus átomos Rh no podrían (hasta donde sabe) ser metabolizados. Por lo tanto, no representan ningún riesgo para la salud; a menos que sean demasiados átomos Rh dispersados en el aire, los cuales podrían terminar acumulándose en los pulmones y huesos.

De hecho, en los procesos de revestimientos de rodio sobre alhajas o joyas de plata los joyeros están expuestos a estas “nubecillas” de átomos; razón por la cual han sufrido de molestias en su sistema respiratorio. Respecto al riesgo de su sólido finamente dividido, este ni siquiera es inflamable; excepto cuando arde en presencia de OF₂.

Los compuestos de rodio sí son clasificados como tóxicos y carcinógenos, cuyos colores tiñen profundamente la piel. Aquí se observa otra clara diferencia en cómo las propiedades de un catión metálico varían en comparación a la del metal procedente.

Y finalmente, en materia ecológica, la escasa abundancia del rodio y su falta de asimilación por parte de las plantas lo vuelve un elemento inofensivo en caso de derrames o desechos; siempre y cuando se trate del rodio metálico.

Referencias

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