Erbio

El erbio es un elemento químico con el símbolo Er y el número atómico 68. Un metal sólido de color blanco plateado cuando se aísla artificialmente, el erbio natural siempre se encuentra en combinación química con otros elementos. Es un lantánido, un elemento de tierras raras, encontrado originalmente en la mina de gadolinita en Ytterby, Suecia, que es la fuente del nombre del elemento.

Los usos principales del erbio incluyen sus iones Er de color rosa, que tienen propiedades fluorescentes ópticas particularmente útiles en ciertas aplicaciones de láser. Los vidrios o cristales dopados con erbio se pueden usar como medios de amplificación óptica, donde los iones Er se bombean ópticamente a alrededor de 980 o1480 nm y luego irradiar luz a1530 nm en emisión estimulada. Este proceso da como resultado un amplificador óptico láser inusualmente simple mecánicamente para señales transmitidas por fibra óptica. losLa longitud de onda de 1550 nm es especialmente importante para las comunicaciones ópticas porque las fibras ópticas monomodo estándar tienen una pérdida mínima en esta longitud de onda particular.

Además de los láseres amplificadores de fibra óptica, una gran variedad de aplicaciones médicas (es decir, dermatología, odontología) dependen de los iones de erbio.Emisión de 2940 nm (ver láser Er:YAG) cuando se enciende a otra longitud de onda, que se absorbe mucho en el agua de los tejidos, lo que hace que su efecto sea muy superficial. Tal deposición superficial de tejido de energía láser es útil en la cirugía láser y para la producción eficiente de vapor que produce la ablación del esmalte mediante tipos comunes de láser dental.

Características

Propiedades físicas

Un elemento trivalente, el metal de erbio puro es maleable (o fácil de moldear), suave pero estable en el aire, y no se oxida tan rápido como otros metales de tierras raras. Sus sales son de color rosa y el elemento tiene bandas de espectro de absorción nítidas características en luz visible, ultravioleta e infrarrojo cercano. De lo contrario, se parece mucho a las otras tierras raras. Su sesquióxido se llama erbia. Las propiedades del erbio están dictadas hasta cierto punto por el tipo y la cantidad de impurezas presentes. El erbio no desempeña ningún papel biológico conocido, pero se cree que puede estimular el metabolismo.

El erbio es ferromagnético por debajo de 19 K, antiferromagnético entre 19 y 80 K y paramagnético por encima de 80 K.

El erbio puede formar grupos atómicos en forma de hélice Er ₃ N, donde la distancia entre los átomos de erbio es de 0,35 nm. Esos grupos se pueden aislar encapsulándolos en moléculas de fullereno, según lo confirmado por microscopía electrónica de transmisión.

Propiedades químicas

El erbio metálico conserva su brillo en aire seco, sin embargo, se deslustra lentamente en aire húmedo y se quema fácilmente para formar óxido de erbio (III):4 Er + 3 O ₂ → 2 Er ₂ O ₃

El erbio es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría y bastante rápido con agua caliente para formar hidróxido de erbio:2 Er (s) + 6 H ₂ O (l) → 2 Er (OH) ₃ (aq) + 3 H ₂ (g)

El erbio metálico reacciona con todos los halógenos:2 Er (s) + 3 F ₂ (g) → 2 ErF ₃ (s) [rosa]2 Er (s) + 3 Cl ₂ (g) → 2 ErCl ₃ (s) [violeta]2 Er (s) + 3 Br ₂ (g) → 2 ErBr ₃ (s) [violeta]2 Er (s) + 3 I ₂ (g) → 2 ErI ₃ (s) [violeta]

El erbio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen iones Er(III) hidratados, que existen como complejos de hidratación [Er(OH ₂) ₉ ] rojo rosa:2 Er (s) + 3 H ₂ SO ₄ (aq) → 2 Er (aq) + 3 SO₄(ac) + 3 H ₂ (g)

Estados de oxidación

Como la mayoría de los elementos de tierras raras y los lantánidos, el erbio generalmente se encuentra en el estado de oxidación +3. Sin embargo, es posible que el erbio también se encuentre en los estados de oxidación 0, +1 y +2.

Compuestos organoerbios

Los compuestos de organoerbio son muy similares a los de los otros lantánidos, ya que todos comparten la incapacidad de sufrir enlaces π. Por lo tanto, están restringidos principalmente a los ciclopentadienuros en su mayoría iónicos (isoestructurales con los del lantano) y los alquilos y arilos simples con enlaces σ, algunos de los cuales pueden ser poliméricos.

Isótopos

El erbio natural se compone de 6 isótopos estables,Eh,Eh,Eh,Eh,Eh, yEh, conEhsiendo la más abundante (33.503% abundancia natural). Se han caracterizado 29 radioisótopos, siendo el más estableEhcon una vida media de9.4 días,Ehcon una vida media de49,3 horas,Ehcon una vida media de28.58 horas,Ehcon una vida media de10.36 h, yEhcon una vida media de7.516 h. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a3,5 h, y la mayoría de estos tienen vidas medias inferiores a 4 minutos. Este elemento también tiene 13 metaestados, siendo el más estableEhcon una vida media de2.269 s.

Los isótopos de erbio varían en peso atómico desde142.9663 u (Eh) a176.9541 u (Eh). El modo de decaimiento primario antes del isótopo estable más abundante,Eh, es la captura de electrones, y el modo principal después es el decaimiento beta. Los productos primarios de descomposición antesEhson isótopos del elemento 67 (holmio), y los productos primarios después son isótopos del elemento 69 (tulio).

Historia

El erbio (por Ytterby, un pueblo de Suecia) fue descubierto por Carl Gustaf Mosander en 1843. Mosander estaba trabajando con una muestra de lo que se pensaba que era el óxido metálico único itria, derivado del mineral gadolinita. Descubrió que la muestra contenía al menos dos óxidos metálicos además de itria pura, a la que llamó "erbia" y "terbia" por el pueblo de Ytterby donde se había encontrado la gadolinita. Mosander no estaba seguro de la pureza de los óxidos y pruebas posteriores confirmaron su incertidumbre. La "itria" no solo contenía itrio, erbio y terbio; en los años siguientes, químicos, geólogos y espectroscopistas descubrieron cinco elementos adicionales: iterbio, escandio, tulio, holmio y gadolinio.

Erbia y terbia, sin embargo, se confundieron en este momento. Un espectroscopista cambió por error los nombres de los dos elementos durante la espectroscopia. Después de 1860, terbia pasó a llamarse erbia y después de 1877 lo que se conocía como erbia pasó a llamarse terbia. El Er ₂ O ₃ bastante puro fue aislado de forma independiente en 1905 por Georges Urbain y Charles James. El erbio metálico razonablemente puro no se produjo hasta 1934 cuando Wilhelm Klemm y Heinrich Bommer redujeron el cloruro anhidro con vapor de potasio. Fue solo en la década de 1990 que el precio del óxido de erbio derivado de China bajó lo suficiente como para considerar el uso de erbio como colorante en vidrio artístico.

Ocurrencia

La concentración de erbio en la corteza terrestre es de unos 2,8 mg/kg y en el agua de mar de 0,9 ng/L. El erbio es el 44º elemento más abundante en la corteza terrestre con alrededor de 3,0 a 3,8 ppm.

Al igual que otras tierras raras, este elemento nunca se encuentra como un elemento libre en la naturaleza, sino que se encuentra ligado en minerales de arena de monacita. Históricamente, ha sido muy difícil y costoso separar las tierras raras entre sí en sus minerales, pero los métodos de cromatografía de intercambio iónico desarrollados a fines del siglo XX han reducido considerablemente el costo de producción de todos los metales de tierras raras y sus compuestos químicos.

Las principales fuentes comerciales de erbio son los minerales xenotima y euxenita y, más recientemente, las arcillas de adsorción de iones del sur de China; en consecuencia, China se ha convertido en el principal proveedor mundial de este elemento. En las versiones con alto contenido de itrio de estos concentrados de mineral, el itrio es aproximadamente dos tercios del total en peso y la erbia es aproximadamente del 4 al 5%. Cuando el concentrado se disuelve en ácido, la erbia libera suficiente ion erbio para impartir un color rosa distintivo y característico a la solución. Este comportamiento de color es similar a lo que Mosander y los otros primeros investigadores de los lantánidos habrían visto en sus extractos de los minerales de gadolinita de Ytterby.

Producción

Los minerales triturados son atacados por el ácido clorhídrico o sulfúrico que transforma los óxidos de tierras raras insolubles en cloruros o sulfatos solubles. Los filtrados ácidos se neutralizan parcialmente con soda cáustica (hidróxido de sodio) a pH 3–4. El torio precipita de la solución como hidróxido y se elimina. Después de eso, la solución se trata con oxalato de amonio para convertir las tierras raras en sus oxalatos insolubles. Los oxalatos se convierten en óxidos por recocido. Los óxidos se disuelven en ácido nítrico que excluye uno de los principales componentes, el cerio, cuyo óxido es insoluble en HNO ₃. La solución se trata con nitrato de magnesio para producir una mezcla cristalizada de sales dobles de metales de tierras raras. Las sales se separan por intercambio iónico. En este proceso, los iones de tierras raras se absorben en una resina de intercambio iónico adecuada mediante el intercambio con iones de hidrógeno, amonio o cúprico presentes en la resina. A continuación, los iones de tierras raras se eliminan selectivamente mediante un agente complejante adecuado. El erbio metálico se obtiene a partir de su óxido o sales por calentamiento con calcio a1450 °C bajo atmósfera de argón.

Aplicaciones

Los usos cotidianos del erbio son variados. Se usa comúnmente como filtro fotográfico y, debido a su elasticidad, es útil como aditivo metalúrgico.

Láseres y óptica

Una gran variedad de aplicaciones médicas (es decir, dermatología, odontología) utilizan iones de erbioEmisión de 2940 nm (ver láser Er:YAG), que es altamente absorbido en agua (coeficiente de absorción sobre12 000 /cm). Tal deposición superficial de tejido de energía láser es necesaria para la cirugía láser y la producción eficiente de vapor para la ablación láser del esmalte en odontología.

Las fibras ópticas de vidrio de sílice dopadas con erbio son el elemento activo en los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA), que se utilizan ampliamente en las comunicaciones ópticas. Las mismas fibras se pueden utilizar para crear láseres de fibra. Para que funcione de manera eficiente, la fibra dopada con erbio generalmente se co-dopa con modificadores/homogeneizadores de vidrio, a menudo aluminio o fósforo. Estos dopantes ayudan a prevenir la agrupación de iones Er y transfieren la energía de manera más eficiente entre la luz de excitación (también conocida como bomba óptica) y la señal. El dopaje conjunto de fibra óptica con Er e Yb se utiliza en láseres de fibra Er/Yb de alta potencia. El erbio también se puede utilizar en amplificadores de guía de ondas dopados con erbio.

Metalurgia

Cuando se agrega al vanadio como aleación, el erbio reduce la dureza y mejora la trabajabilidad. Una aleación de erbio-níquel Er ₃ Ni tiene una capacidad de calor específico inusualmente alta a temperaturas de helio líquido y se usa en enfriadores criogénicos; una mezcla de 65% Er ₃ Co y 35% Er _0.9 Yb _0.1 Ni en volumen mejora aún más la capacidad calorífica específica.

Colorante

El óxido de erbio tiene un color rosa y, a veces, se usa como colorante para vidrio, zirconia cúbica y porcelana. Luego, el vidrio se usa a menudo en gafas de sol y joyas baratas.

Otras aplicaciones

El erbio se utiliza en tecnología nuclear en barras de control que absorben neutrones o como veneno combustible en el diseño de combustible nuclear. Recientemente, el erbio se ha utilizado en experimentos relacionados con la fusión por confinamiento en celosía.

Rol biológico

El erbio no tiene un papel biológico, pero las sales de erbio pueden estimular el metabolismo. Los seres humanos consumen 1 miligramo de erbio al año en promedio. La concentración más alta de erbio en humanos está en los huesos, pero también hay erbio en los riñones e hígado humanos.

Toxicidad

El erbio es levemente tóxico si se ingiere, pero los compuestos de erbio no son tóxicos. El erbio metálico en forma de polvo presenta un riesgo de incendio y explosión.