Europio

El europio es un elemento químico con el símbolo Eu y el número atómico 63. El europio es el lantánido más reactivo con diferencia, y debe almacenarse bajo un fluido inerte para protegerlo del oxígeno atmosférico o la humedad. El europio es también el lantánido más suave, ya que puede abollarse con una uña y cortarse fácilmente con un cuchillo. Cuando se elimina la oxidación, se ve un metal blanco brillante. El europio se aisló en 1901 y lleva el nombre del continente europeo.Siendo un miembro típico de la serie de los lantánidos, el europio generalmente asume el estado de oxidación +3, pero el estado de oxidación +2 también es común. Todos los compuestos de europio con estado de oxidación +2 son ligeramente reductores. El europio no tiene un papel biológico significativo y es relativamente no tóxico en comparación con otros metales pesados. La mayoría de las aplicaciones de europio aprovechan la fosforescencia de los compuestos de europio. El europio es uno de los elementos de tierras raras más raros de la Tierra.

Características

Propiedades físicas

El europio es un metal dúctil con una dureza similar a la del plomo. Cristaliza en una red cúbica centrada en el cuerpo. Algunas propiedades del europio están fuertemente influenciadas por su capa de electrones medio llena. El europio tiene el segundo punto de fusión más bajo y la densidad más baja de todos los lantánidos.

Se ha afirmado que el europio se convierte en un superconductor cuando se enfría por debajo de 1,8 K y se comprime por encima de 80 GPa. Sin embargo, la evidencia experimental en la que se basa esta afirmación ha sido cuestionada y el artículo que informa sobre la superconductividad se ha retractado posteriormente. Si se convierte en un superconductor, se cree que esto ocurre porque el europio es divalente en el estado metálico y se convierte en el estado trivalente por la presión aplicada. En el estado divalente, el fuerte momento magnético local (J = / ₂) suprime la superconductividad, que se induce eliminando este momento local (J = 0 en Eu).

Propiedades químicas

El europio es el elemento de tierras raras más reactivo. Se oxida rápidamente en el aire, por lo que la oxidación a granel de una muestra de un centímetro se produce en varios días. Su reactividad con el agua es comparable a la del calcio, y la reacción es2 Eu + 6 H ₂ O → 2 Eu(OH) ₃ + 3 H ₂

Debido a la alta reactividad, las muestras de europio sólido rara vez tienen el aspecto brillante del metal fresco, incluso cuando están recubiertas con una capa protectora de aceite mineral. El europio se enciende en el aire entre 150 y 180 °C para formar óxido de europio (III):4 Eu + 3 O ₂ → 2 Eu ₂ O ₃

El europio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones rosa pálido de [Eu(H ₂ O) ₉ ]:2 Eu + 3 H ₂ SO ₄ + 18 H ₂ O → 2 [Eu (H ₂ O) ₉ ] + 3 SO₄+ 3 H ₂

Eu(II) frente a Eu(III)

Aunque normalmente es trivalente, el europio forma fácilmente compuestos divalentes. Este comportamiento es inusual para la mayoría de los lantánidos, que casi exclusivamente forman compuestos con un estado de oxidación de +3. El estado +2 tiene una configuración electrónica 4 f porque la capa f medio llena proporciona más estabilidad. En términos de tamaño y número de coordinación, el europio (II) y el bario (II) son similares. Los sulfatos de bario y europio (II) también son muy insolubles en agua.El europio divalente es un agente reductor suave que se oxida en el aire para formar compuestos de Eu(III). En condiciones anaeróbicas, y particularmente geotérmicas, la forma divalente es lo suficientemente estable como para que tienda a incorporarse a minerales de calcio y otras tierras alcalinas. Este proceso de intercambio iónico es la base de la "anomalía negativa del europio", el bajo contenido de europio en muchos minerales lantánidos como la monacita, en relación con la abundancia condrítica. La bastnäsita tiende a mostrar menos anomalía negativa del europio que la monacita y, por lo tanto, es la principal fuente de europio en la actualidad. El desarrollo de métodos sencillos para separar el europio divalente de los otros lantánidos (trivalentes) hizo que el europio fuera accesible incluso cuando estaba presente en baja concentración, como suele ser.

Isótopos

El europio natural se compone de 2 isótopos, Eu y Eu, que se encuentran en proporciones casi iguales; Eu es ligeramente más abundante (52,2% de abundancia natural). Mientras que Eu es estable, se encontró que Eu es inestable a la descomposición alfa con una vida media de5+11−3× 10 años en 2007,lo que da aproximadamente 1 desintegración alfa cada dos minutos en cada kilogramo de europio natural. Este valor está razonablemente de acuerdo con las predicciones teóricas. Además del radioisótopo naturalEu, se han caracterizado 35 radioisótopos artificiales, siendo los más establesEu con una vida media de 36,9 años,Eu con una vida media de 13,516 años yEu con una vida media de 8,593 años. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 4,7612 años, y la mayoría de estos tienen vidas medias inferiores a 12,2 segundos. Este elemento también tiene 8 meta estados, siendo el más estableEu ( t _1/2 = 12,8 horas),Eu ( t _1/2=9,3116 horas) y Eu (t _1/2 =96 minutos).

El modo principal de desintegración para los isótopos más ligeros que el Eu es la captura de electrones, y el modo principal para los isótopos más pesados ​​es la desintegración beta menos. Los productos primarios de desintegración antes de Eu son isótopos de samario (Sm) y los productos primarios posteriores son isótopos de gadolinio (Gd).

El europio como producto de la fisión nuclear

El europio se produce por fisión nuclear, pero los rendimientos de los productos de fisión de los isótopos de europio son bajos cerca del tope del rango de masas para los productos de fisión.

Al igual que con otros lantánidos, muchos isótopos de europio, especialmente aquellos que tienen números de masa impares o son pobres en neutrones como Eu, tienen secciones transversales altas para la captura de neutrones, a menudo lo suficientemente altas como para ser venenos de neutrones.

Eu es el producto de desintegración beta del samario-151, pero dado que tiene una vida media de desintegración larga y un tiempo medio de absorción de neutrones corto, la mayoría de Sm termina como Sm.

Eu (vida media 13,516 años) y Eu (vida media 8,593 años) no pueden ser productos de desintegración beta porque Sm y Sm no son radiactivos, pero Eu es el único nucleido "protegido" de larga vida, además de Cs, que tiene un rendimiento de fisión de más de 2,5 partes por millón de fisiones. Se produce una mayor cantidad de Eu mediante la activación neutrónica de una porción significativa del Eu no radiactivo; sin embargo, gran parte de esto se convierte aún más a Eu.

Eu (vida media 4,7612 años) tiene un rendimiento de fisión de 330 partes por millón (ppm) para uranio-235 y neutrones térmicos; la mayor parte se transmuta en gadolinio-156 no radiactivo y no absorbente al final del consumo de combustible.

En general, el europio se ve eclipsado por el cesio-137 y el estroncio-90 como peligro de radiación, y por el samario y otros como veneno de neutrones.

Ocurrencia

El europio no se encuentra en la naturaleza como elemento libre. Muchos minerales contienen europio, siendo las fuentes más importantes la bastnasita, la monacita, la xenotima y la loparita-(Ce). Todavía no se conocen minerales con dominancia de europio, a pesar de un solo hallazgo de una posible fase diminuta del sistema Eu-O o Eu-O-C en el regolito de la Luna.

El agotamiento o enriquecimiento del europio en minerales en relación con otros elementos de tierras raras se conoce como anomalía del europio. El europio se incluye comúnmente en los estudios de elementos traza en geoquímica y petrología para comprender los procesos que forman las rocas ígneas (rocas que se enfriaron a partir del magma o la lava). La naturaleza de la anomalía de europio encontrada ayuda a reconstruir las relaciones dentro de un conjunto de rocas ígneas. La abundancia media de europio en la corteza es de 2 a 2,2 ppm.

El europio divalente (Eu) en pequeñas cantidades es el activador de la fluorescencia azul brillante de algunas muestras del mineral fluorita (CaF ₂). La reducción de Eu a Eu es inducida por irradiación con partículas energéticas. Los ejemplos más destacados de esto se originaron alrededor de Weardale y partes adyacentes del norte de Inglaterra; fue la fluorita encontrada aquí la que dio nombre a la fluorescencia en 1852, aunque no fue hasta mucho más tarde que se determinó que el europio era la causa.

En astrofísica, la firma del europio en los espectros estelares se puede utilizar para clasificar estrellas e informar teorías sobre cómo o dónde nació una estrella en particular. Por ejemplo, en 2019, los astrónomos identificaron niveles de europio más altos de lo esperado dentro de la estrella J1124+4535, con la hipótesis de que esta estrella se originó en una galaxia enana que chocó con la Vía Láctea hace miles de millones de años.

Producción

El europio está asociado con otros elementos de tierras raras y, por lo tanto, se extrae junto con ellos. La separación de los elementos de tierras raras se produce durante el procesamiento posterior. Los elementos de tierras raras se encuentran en los minerales bastnasita, loparita-(Ce), xenotima y monacita en cantidades explotables. Bastnäsite es un grupo de fluorocarbonatos relacionados, Ln(CO ₃)(F,OH). La monacita es un grupo de minerales ortofosfato relacionados LnPO₄(Ln denota una mezcla de todos los lantánidos excepto el prometio), la loparita-(Ce) es un óxido y la xenotima es un ortofosfato (Y,Yb,Er,...)PO ₄. La monacita también contiene torio e itrio, lo que complica su manipulación porque el torio y sus productos de descomposición son radiactivos. Para la extracción del mineral y el aislamiento de los lantánidos individuales, se han desarrollado varios métodos. La elección del método se basa en la concentración y composición del mineral y en la distribución de los lantánidos individuales en el concentrado resultante. El tostado del mineral, seguido de la lixiviación ácida y básica, se usa principalmente para producir un concentrado de lantánidos. Si el cerio es el lantánido dominante, entonces se convierte de cerio (III) a cerio (IV) y luego se precipita. La separación adicional mediante extracciones con disolventes o cromatografía de intercambio iónico produce una fracción que está enriquecida en europio. Esta fracción se reduce con zinc, zinc/amalgama, electrólisis u otros métodos que conviertan el europio (III) en europio (II). El europio(II) reacciona de manera similar a los metales alcalinotérreos y, por lo tanto, puede precipitarse como carbonato o coprecipitarse con sulfato de bario.El europio metálico está disponible a través de la electrólisis de una mezcla de EuCl ₃ y NaCl (o CaCl ₂) fundidos en una celda de grafito, que sirve como cátodo, usando grafito como ánodo. El otro producto es cloro gaseoso.

Unos pocos depósitos grandes producen o produjeron una cantidad significativa de la producción mundial. El depósito de mineral de hierro Bayan Obo en Mongolia Interior contiene cantidades significativas de bastnäsita y monacita y es, con un estimado de 36 millones de toneladas de óxidos de elementos de tierras raras, el depósito más grande conocido.Las operaciones mineras en el depósito de Bayan Obo convirtieron a China en el mayor proveedor de elementos de tierras raras en la década de 1990. Solo el 0,2% del contenido de elementos de tierras raras es europio. La segunda gran fuente de elementos de tierras raras entre 1965 y su cierre a fines de la década de 1990 fue la mina de tierras raras Mountain Pass en California. La bastnäsita extraída allí es especialmente rica en elementos ligeros de tierras raras (La-Gd, Sc e Y) y contiene solo un 0,1% de europio. Otra gran fuente de elementos de tierras raras es la loparita que se encuentra en la península de Kola. Contiene además de niobio, tantalio y titanio hasta un 30% de elementos de tierras raras y es la mayor fuente de estos elementos en Rusia.

Compuestos

Los compuestos de europio tienden a existir en un estado de oxidación trivalente en la mayoría de las condiciones. Comúnmente, estos compuestos presentan Eu (III) unido por 6–9 ligandos oxigénicos, típicamente agua. Estos compuestos, los cloruros, sulfatos, nitratos, son solubles en agua o disolvente orgánico polar. Los complejos lipofílicos de europio a menudo presentan ligandos similares al acetilacetonato, por ejemplo, Eufod.

Haluros

El europio metálico reacciona con todos los halógenos:2 Eu + 3 X ₂ → 2 EuX ₃ (X = F, Cl, Br, I)

Esta ruta da fluoruro de europio(III) blanco (EuF ₃), cloruro de europio(III) amarillo (EuCl ₃), bromuro de europio(III) gris (EuBr ₃) y yoduro de europio(III) incoloro (EuI ₃). El europio también forma los dihaluros correspondientes: fluoruro de europio (II) amarillo-verde (EuF ₂), cloruro de europio (II) incoloro (EuCl ₂) (aunque tiene una fluorescencia azul brillante bajo la luz ultravioleta), bromuro de europio (II) incoloro (EuBr ₂) y yoduro de europio (II) verde (EuI ₂).

Calcogenidas y pnictidas

El europio forma compuestos estables con todos los calcógenos, pero los calcógenos más pesados ​​(S, Se y Te) estabilizan el estado de oxidación inferior. Se conocen tres óxidos: óxido de europio(II) (EuO), óxido de europio(III) (Eu ₂ O ₃) y el óxido de valencia mixta Eu ₃ O ₄, que consiste tanto en Eu(II) como en Eu(III). De lo contrario, los principales calcogenuros son el sulfuro de europio (II) (EuS), el seleniuro de europio (II) (EuSe) y el telururo de europio (II) (EuTe): los tres son sólidos negros. El sulfuro de europio (II) se prepara sulfurando el óxido a temperaturas suficientemente altas para descomponer el Eu ₂ O ₃:Eu ₂ O ₃ + 3 H ₂ S → 2 EuS + 3 H ₂ O + S

El principal nitruro de europio es el nitruro de europio (III) (EuN).

Historia

Aunque el europio está presente en la mayoría de los minerales que contienen los otros elementos raros, debido a las dificultades para separar los elementos, no fue hasta finales del siglo XIX que se aisló el elemento. William Crookes observó los espectros fosforescentes de los elementos raros, incluidos los que finalmente se asignaron al europio.

El europio fue encontrado por primera vez en 1892 por Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, quien obtuvo fracciones básicas de concentrados de samario y gadolinio que tenían líneas espectrales que no representaban el samario ni el gadolinio. Sin embargo, el descubrimiento del europio generalmente se atribuye al químico francés Eugène-Anatole Demarçay, quien sospechó que las muestras del samario, un elemento recientemente descubierto, estaban contaminadas con un elemento desconocido en 1896 y pudo aislarlo en 1901; luego lo llamó europio.

Cuando se descubrió el fósforo rojo ortovanadato de itrio dopado con europio a principios de la década de 1960, y se entendió que estaba a punto de causar una revolución en la industria de la televisión en color, hubo una lucha por el suministro limitado de europio disponible entre los procesadores de monacita,ya que el contenido típico de europio en monacita es de aproximadamente 0,05%. Sin embargo, el depósito de bastnäsita de Molycorp en la mina de tierras raras Mountain Pass, California, cuyos lantánidos tenían un contenido inusualmente alto de europio del 0,1 %, estaba a punto de entrar en funcionamiento y proporcionar suficiente europio para sostener la industria. Antes del europio, el fósforo rojo de la televisión en color era muy débil y los otros colores de fósforo tenían que silenciarse para mantener el equilibrio de color. Con el fósforo de europio rojo brillante, ya no fue necesario silenciar los otros colores, y el resultado fue una imagen de televisión en color mucho más brillante. El europio se ha seguido utilizando en la industria de la televisión desde entonces, así como en los monitores de computadora. La bastnäsita de California ahora se enfrenta a la dura competencia de Bayan Obo, China, con un contenido de europio aún "más rico" del 0,2%.

Frank Spedding, célebre por su desarrollo de la tecnología de intercambio iónico que revolucionó la industria de las tierras raras a mediados de la década de 1950, relató una vez la historia de cómo estaba dando una conferencia sobre las tierras raras en la década de 1930, cuando un anciano se le acercó con una oferta de un regalo de varias libras de óxido de europio. Esta era una cantidad inaudita en ese momento, y Spedding no tomó al hombre en serio. Sin embargo, llegó por correo un paquete que contenía varias libras de óxido de europio genuino. El anciano resultó ser Herbert Newby McCoy, quien había desarrollado un famoso método de purificación de europio que involucraba química redox.

Aplicaciones

En relación con la mayoría de los demás elementos, las aplicaciones comerciales del europio son pocas y bastante especializadas. Casi invariablemente, se aprovecha su fosforescencia, ya sea en el estado de oxidación +2 o +3.

Es un dopante en algunos tipos de vidrio en láseres y otros dispositivos optoelectrónicos. El óxido de europio (Eu ₂ O ₃) se usa ampliamente como fósforo rojo en televisores y lámparas fluorescentes, y como activador de fósforos a base de itrio. Las pantallas de televisión en color contienen entre 0,5 y 1 g de óxido de europio. Mientras que el europio trivalente produce fósforos rojos, la luminiscencia del europio divalente depende en gran medida de la composición de la estructura huésped. Se puede lograr luminiscencia de UV a rojo intenso.Las dos clases de fósforos a base de europio (rojo y azul), combinados con los fósforos de terbio amarillo/verde dan luz "blanca", cuya temperatura de color puede variarse alterando la proporción o composición específica de los fósforos individuales. Este sistema de fósforo se encuentra típicamente en bombillas fluorescentes helicoidales. La combinación de las mismas tres clases es una forma de hacer sistemas tricromáticos en pantallas de TV y computadoras, pero como aditivo, puede ser particularmente efectivo para mejorar la intensidad del fósforo rojo. El europio también se utiliza en la fabricación de vidrio fluorescente, lo que aumenta la eficiencia general de las lámparas fluorescentes. Uno de los fósforos de posluminiscencia persistentes más comunes, además del sulfuro de zinc dopado con cobre, es el aluminato de estroncio dopado con europio.La fluorescencia de europio se utiliza para interrogar las interacciones biomoleculares en las pantallas de descubrimiento de fármacos. También se utiliza en los fósforos antifalsificación de los billetes en euros.

Una aplicación que casi ha dejado de usarse con la introducción de imanes superconductores asequibles es el uso de complejos de europio, como Eu(fod) ₃, como reactivos de desplazamiento en la espectroscopia de RMN. Los reactivos de desplazamiento quiral, como Eu(hfc) ₃, todavía se utilizan para determinar la pureza enantiomérica.

Una aplicación teórica del europio es su uso para detener las amenazas termonucleares. Debido a su alta sección transversal de captura de neutrones y cadena de veneno de neutrones, se prefiere para misiles antitermonucleares basados ​​​​en veneno de neutrones.

Precauciones

No existen indicaciones claras de que el europio sea particularmente tóxico en comparación con otros metales pesados. Se ha probado la toxicidad del cloruro, nitrato y óxido de europio: el cloruro de europio muestra una toxicidad LD50 intraperitoneal aguda _de 550 mg/kg y la toxicidad oral aguda LD50 _es de 5000 mg/kg. El nitrato de europio muestra una toxicidad LD ₅₀ intraperitoneal ligeramente mayor de 320 mg/kg, mientras que la toxicidad oral es superior a 5000 mg/kg. El polvo de metal presenta un riesgo de incendio y explosión.