Disprosio
El disprosio es el elemento químico con el símbolo Dy y el número atómico 66. Es un elemento de tierras raras en la serie de los lantánidos con un brillo plateado metálico. El disprosio nunca se encuentra en la naturaleza como elemento libre, aunque, al igual que otros lantánidos, se encuentra en varios minerales, como la xenotima. El disprosio natural se compone de siete isótopos, el más abundante de los cuales es Dy.
El disprosio fue identificado por primera vez en 1886 por Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, pero no se aisló en forma pura hasta el desarrollo de las técnicas de intercambio iónico en la década de 1950. El disprosio tiene relativamente pocas aplicaciones en las que no puede ser reemplazado por otros elementos químicos. Se utiliza por su alta sección transversal de absorción de neutrones térmicos en la fabricación de barras de control en reactores nucleares, por su alta susceptibilidad magnética (χ v ≈5,44 × 10) en aplicaciones de almacenamiento de datos y como componente de Terfenol-D (un material magnetostrictivo). Las sales de disprosio solubles son levemente tóxicas, mientras que las sales insolubles se consideran no tóxicas.
Características
Propiedades físicas
El disprosio es un elemento de tierras raras y tiene un brillo metálico plateado brillante. Es bastante suave y se puede mecanizar sin chispas si se evita el sobrecalentamiento. Las características físicas del disprosio pueden verse muy afectadas incluso por pequeñas cantidades de impurezas.
El disprosio y el holmio tienen las fuerzas magnéticas más altas de los elementos, especialmente a bajas temperaturas. El disprosio tiene un ordenamiento ferromagnético simple a temperaturas inferiores a 85 K (−188,2 °C). Por encima de 85 K (−188,2 °C), se convierte en un estado antiferromagnético helicoidal en el que todos los momentos atómicos en una capa particular del plano basal son paralelos y están orientados en un ángulo fijo con respecto a los momentos de las capas adyacentes. Este antiferromagnetismo inusual se transforma en un estado desordenado (paramagnético) a 179 K (−94 °C).
Propiedades químicas
El disprosio metálico conserva su brillo en aire seco, sin embargo, se deslustrará lentamente en aire húmedo y se quemará fácilmente para formar óxido de disprosio (III):4 Dy + 3 O 2 → 2 Dy 2 O 3
El disprosio es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría (y bastante rápido con agua caliente) para formar hidróxido de disprosio:2 Dy (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Dy (OH) 3 (aq) + 3 H 2 (g)
El hidróxido de disprosio se descompone para formar DyO (OH) a temperaturas elevadas, que luego se descompone nuevamente en óxido de disprosio (III).
El disprosio metálico reacciona vigorosamente con todos los halógenos por encima de 200 °C:2 Dy (s) + 3 F 2 (g) → 2 DyF 3 (s) [verde]2 Dy (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 DyCl 3 (s) [blanco]2 Dy (s) + 3 Br 2 (l) → 2 DyBr 3 (s) [blanco]2 Dy (s) + 3 I 2 (g) → 2 DyI 3 (s) [verde]
El disprosio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen los iones amarillos Dy(III), que existen como un complejo [Dy(OH 2) 9 ]:2 Dy (s) + 3 H 2 SO 4 (aq) → 2 Dy (aq) + 3 SO4(ac) + 3 H 2 (g)
El compuesto resultante, sulfato de disprosio (III), es notablemente paramagnético.
Compuestos
Los haluros de disprosio, como DyF 3 y DyBr 3, tienden a adquirir un color amarillo. El óxido de disprosio, también conocido como disprosia, es un polvo blanco altamente magnético, más que el óxido de hierro.
El disprosio se combina con varios no metales a altas temperaturas para formar compuestos binarios con composición variable y estados de oxidación +3 ya veces +2, como DyN, DyP, DyH 2 y DyH 3; DyS, DyS2, Dy2S3 y Dy5S7 ; _ _ _ DyB 2, DyB 4, DyB 6 y DyB 12, así como Dy 3 C y Dy 2 C 3.
El carbonato de disprosio, Dy 2 (CO 3) 3, y el sulfato de disprosio, Dy 2 (SO 4) 3, resultan de reacciones similares. La mayoría de los compuestos de disprosio son solubles en agua, aunque el carbonato de disprosio tetrahidratado (Dy 2 (CO 3) 3 ·4H 2 O) y el oxalato de disprosio decahidratado (Dy 2 (C 2 O 4) 3 ·10H 2 O) son ambos insolubles en agua. Dos de los carbonatos de disprosio más abundantes, Dy 2 (CO 3) 3 ·2–3H2 O (similar al mineral tengerite-(Y)), y DyCO 3 (OH) (similar a los minerales kozoite-(La) y kozoite-(Nd), se sabe que se forman a través de una fase precursora pobremente ordenada (amorfa) con una fórmula de Dy 2 (CO 3) 3 ·4H 2 O. Este precursor amorfo consiste en nanopartículas esféricas altamente hidratadas de 10 a 20 nm de diámetro que son excepcionalmente estables bajo tratamiento seco a temperatura ambiente y alta.
Isótopos
El disprosio natural se compone de siete isótopos: Dy, Dy, Dy, Dy, Dy, Dy y Dy. Todos estos se consideran estables, aunque, en teoría, Dy puede sufrir una descomposición alfa con una vida media de más de 1 × 10 años. El disprosio es el elemento más pesado con isótopos que no son observablemente estables ni radiactivos. De los isótopos naturales, Dy es el más abundante con un 28 %, seguido de Dy con un 26 %. El menos abundante es Dy al 0,06%.
También se han sintetizado veintinueve radioisótopos, cuya masa atómica oscila entre 138 y 173. El más estable de ellos es Dy, con una vida media de aproximadamente 3 × 10 años, seguido de Dy con una vida media de 144,4 días. El menos estable es Dy, con una vida media de 200 ms. Como regla general, los isótopos que son más ligeros que los isótopos estables tienden a desintegrarse principalmente por desintegración β, mientras que los que son más pesados tienden a desintegrarse por desintegración β. Sin embargo, Dy se desintegra principalmente por desintegración alfa, y Dy y Dy se desintegran principalmente por captura de electrones. El disprosio también tiene al menos 11 isómeros metaestables, que varían en masa atómica de 140 a 165. El más estable de estos esDy, que tiene una vida media de 1,257 minutos. Dy tiene dos isómeros metaestables, el segundo de los cuales, Dy, tiene una vida media de 28 ns.
Historia
En 1878, se descubrió que los minerales de erbio contenían óxidos de holmio y tulio. El químico francés Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, mientras trabajaba con óxido de holmio, separó el óxido de disprosio en París en 1886. Su procedimiento para aislar el disprosio implicó disolver el óxido de disprosio en ácido y luego agregar amoníaco para precipitar el hidróxido. Solo pudo aislar el disprosio de su óxido después de más de 30 intentos en su procedimiento. Al tener éxito, nombró al elemento disprosio del griego dysprositos (δυσπρόσιτος), que significa "difícil de conseguir". El elemento no se aisló en forma relativamente pura hasta después del desarrollo de técnicas de intercambio iónico por parte de Frank Spedding en la Universidad Estatal de Iowa a principios de la década de 1950.
Debido a su papel en los imanes permanentes utilizados para las turbinas eólicas, se ha argumentado que el disprosio será uno de los principales objetos de la competencia geopolítica en un mundo que funciona con energías renovables. Pero esta perspectiva ha sido criticada por no reconocer que la mayoría de las turbinas eólicas no usan imanes permanentes y por subestimar el poder de los incentivos económicos para expandir la producción.
En 2021, Dy se convirtió en un gas cuántico supersólido bidimensional.
Ocurrencia
Si bien el disprosio nunca se encuentra como elemento libre, se encuentra en muchos minerales, incluidos xenotima, fergusonita, gadolinita, euxenita, policrasa, blomstrandina, monacita y bastnasita, a menudo con erbio y holmio u otros elementos de tierras raras. Todavía no se ha encontrado ningún mineral con disprosio dominante (es decir, con disprosio prevaleciendo sobre otras tierras raras en la composición).
En la versión con alto contenido de itrio de estos, el disprosio resulta ser el más abundante de los lantánidos pesados, y comprende hasta el 7-8% del concentrado (en comparación con aproximadamente el 65% del itrio). La concentración de Dy en la corteza terrestre es de unos 5,2 mg/kg y en el agua de mar de 0,9 ng/L.
Producción
El disprosio se obtiene principalmente de la arena de monacita, una mezcla de varios fosfatos. El metal se obtiene como subproducto en la extracción comercial de itrio. Al aislar el disprosio, la mayoría de los metales no deseados se pueden eliminar magnéticamente o mediante un proceso de flotación. Luego, el disprosio se puede separar de otros metales de tierras raras mediante un proceso de desplazamiento de intercambio iónico. Los iones de disprosio resultantes pueden reaccionar con flúor o cloro para formar fluoruro de disprosio, DyF 3, o cloruro de disprosio, DyCl 3. Estos compuestos se pueden reducir utilizando metales de calcio o litio en las siguientes reacciones:3 Ca + 2 DyF 3 → 2 Dy + 3 CaF 23 Li + DyCl 3 → Dy + 3 LiCl
Los componentes se colocan en un crisol de tantalio y se cuecen en una atmósfera de helio. A medida que avanza la reacción, los compuestos de haluro resultantes y el disprosio fundido se separan debido a las diferencias de densidad. Cuando la mezcla se enfría, el disprosio se puede separar de las impurezas.
Cada año se producen alrededor de 100 toneladas de disprosio en todo el mundo, y el 99% de ese total se produce en China. Los precios del disprosio se han multiplicado casi por veinte, de $7 por libra en 2003 a $130 por libra a fines de 2010. El precio aumentó a $1400/kg en 2011 pero cayó a $240 en 2015, en gran parte debido a la producción ilegal en China que eludió las restricciones gubernamentales.
Actualmente, la mayor parte del disprosio se obtiene de los minerales de arcilla de adsorción de iones del sur de China. A partir de noviembre de 2018, la planta piloto del Proyecto Browns Range, 160 km al sureste de Halls Creek, Australia Occidental, produce 50 toneladas (49 toneladas largas) por año.
Según el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la amplia gama de sus usos actuales y proyectados, junto con la falta de un reemplazo adecuado inmediato, hace que el disprosio sea el elemento más crítico para las tecnologías emergentes de energía limpia; incluso sus proyecciones más conservadoras predijeron un déficit de disprosio antes de 2015. A finales de 2015, existe una incipiente industria de extracción de tierras raras (incluido el disprosio) en Australia.
Aplicaciones
El disprosio se usa, junto con el vanadio y otros elementos, para fabricar materiales láser e iluminación comercial. Debido a la alta sección transversal de absorción de neutrones térmicos del disprosio, los cermets de níquel-óxido de disprosio se utilizan en las barras de control de absorción de neutrones en los reactores nucleares. Los calcogenuros de disprosio-cadmio son fuentes de radiación infrarroja, que es útil para estudiar reacciones químicas. Debido a que el disprosio y sus compuestos son muy susceptibles a la magnetización, se emplean en varias aplicaciones de almacenamiento de datos, como en discos duros. El disprosio tiene una demanda cada vez mayor para los imanes permanentes utilizados en motores de automóviles eléctricos y generadores de turbinas eólicas.
Los imanes de neodimio-hierro-boro pueden tener hasta un 6% del neodimio sustituido por disprosio para aumentar la coercitividad para aplicaciones exigentes, como motores de accionamiento para vehículos eléctricos y generadores para turbinas eólicas. Esta sustitución requeriría hasta 100 gramos de disprosio por automóvil eléctrico producido. Basado en los 2 millones de unidades proyectadas de Toyota por año, el uso de disprosio en aplicaciones como esta agotaría rápidamente su suministro disponible. La sustitución de disprosio también puede ser útil en otras aplicaciones porque mejora la resistencia a la corrosión de los imanes.
El disprosio es uno de los componentes del Terfenol-D, junto con el hierro y el terbio. Terfenol-D tiene la magnetoestricción a temperatura ambiente más alta de cualquier material conocido, que se emplea en transductores, resonadores mecánicos de banda ancha e inyectores de combustible líquido de alta precisión.
El disprosio se utiliza en dosímetros para medir la radiación ionizante. Los cristales de sulfato de calcio o fluoruro de calcio están dopados con disprosio. Cuando estos cristales se exponen a la radiación, los átomos de disprosio se excitan y se vuelven luminiscentes. La luminiscencia se puede medir para determinar el grado de exposición al que se ha sometido el dosímetro.
Las nanofibras de compuestos de disprosio tienen una gran resistencia y una gran superficie. Por lo tanto, se pueden utilizar para reforzar otros materiales y actuar como catalizador. Las fibras de fluoruro de óxido de disprosio se pueden producir calentando una solución acuosa de DyBr 3 y NaF a 450 °C a 450 bares durante 17 horas. Este material es notablemente robusto y sobrevive más de 100 horas en diversas soluciones acuosas a temperaturas superiores a 400 °C sin volver a disolverse ni agregarse. Además, el disprosio se ha utilizado para crear un supersólido bidimensional en un entorno de laboratorio. Se espera que los supersólidos muestren propiedades inusuales, incluida la superfluidez.
El yoduro de disprosio y el bromuro de disprosio se utilizan en lámparas de halogenuros metálicos de alta intensidad. Estos compuestos se disocian cerca del centro caliente de la lámpara, liberando átomos de disprosio aislados. Estos últimos vuelven a emitir luz en la parte verde y roja del espectro, produciendo así una luz brillante.
Varias sales cristalinas paramagnéticas de disprosio (granate de disprosio y galio, DGG; granate de disprosio y aluminio, DAG; granate de hierro y disprosio, DyIG) se utilizan en refrigeradores de desmagnetización adiabática.
El ion disprosio trivalente (Dy) se ha estudiado debido a sus propiedades de luminiscencia de cambio descendente. El granate de itrio y aluminio dopado con Dy (Dy:YAG) excitado en la región ultravioleta del espectro electromagnético da como resultado la emisión de fotones de longitud de onda más larga en la región visible. Esta idea es la base de una nueva generación de diodos emisores de luz blanca bombeados por UV.
Precauciones
Como muchos polvos, el polvo de disprosio puede presentar un riesgo de explosión cuando se mezcla con aire y cuando hay una fuente de ignición presente. Las láminas finas de la sustancia también pueden encenderse por chispas o por electricidad estática. Los incendios de disprosio no se pueden extinguir con agua. Puede reaccionar con el agua para producir gas hidrógeno inflamable. Los incendios de cloruro de disprosio se pueden extinguir con agua. El fluoruro de disprosio y el óxido de disprosio no son inflamables. El nitrato de disprosio, Dy(NO 3) 3, es un fuerte agente oxidante y se enciende fácilmente al contacto con sustancias orgánicas.
Las sales solubles de disprosio, como el cloruro de disprosio y el nitrato de disprosio, son levemente tóxicas cuando se ingieren. Con base en la toxicidad del cloruro de disprosio para los ratones, se estima que la ingestión de 500 gramos o más podría ser fatal para un ser humano (véase una dosis letal de 300 gramos de sal de mesa común para un ser humano de 100 kilogramos). Las sales insolubles no son tóxicas.
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