Érbio

Érbio é um elemento químico com o símbolo Er e número atômico 68. Um metal sólido branco prateado quando isolado artificialmente, o érbio natural é sempre encontrado em combinação química com outros elementos. É um lantanídeo, um elemento de terras raras, originalmente encontrado na mina de gadolinita em Ytterby, Suécia, que é a fonte do nome do elemento.

Os principais usos do érbio envolvem seus íons Er³⁺ de cor rosa, que possuem propriedades fluorescentes ópticas particularmente úteis em certas aplicações de laser. Vidros ou cristais dopados com érbio podem ser usados como meio de amplificação óptica, onde os íons Er³⁺ são bombeados opticamente em torno de 980 ou 1480 nm e então irradia luz em 1530 nm em emissão estimulada. Este processo resulta em um amplificador óptico de laser mecanicamente simples para sinais transmitidos por fibra óptica. O comprimento de onda 1550 nm é especialmente importante para comunicações ópticas porque as fibras ópticas de modo único padrão têm perda mínima neste determinado comprimento de onda.

Além dos lasers amplificadores de fibra óptica, uma grande variedade de aplicações médicas (ou seja, dermatologia, odontologia) dependem dos íons de érbio 2940 nm (ver laser Er:YAG) quando iluminado em outro comprimento de onda, que é altamente absorvido em água nos tecidos, tornando seu efeito muito superficial. Essa deposição superficial de energia do laser no tecido é útil na cirurgia a laser e para a produção eficiente de vapor que produz a ablação do esmalte por tipos comuns de laser odontológico.

Características

Propriedades físicas

Cloreto de Erbium(III) na luz solar, mostrando alguma fluorescência rosa de Er⁺³ de ultravioleta natural.

Um elemento trivalente, o érbio metálico puro é maleável (ou facilmente moldável), macio, mas estável no ar, e não oxida tão rapidamente quanto alguns outros metais de terras raras. Seus sais são cor-de-rosa e o elemento possui bandas espectrais de absorção nítidas características na luz visível, ultravioleta e infravermelho próximo. Caso contrário, parece muito com as outras terras raras. Seu sesquióxido é chamado de érbia. As propriedades do érbio são, até certo ponto, ditadas pelo tipo e quantidade de impurezas presentes. O érbio não desempenha nenhum papel biológico conhecido, mas acredita-se que seja capaz de estimular o metabolismo.

Érbio é ferromagnético abaixo de 19 K, antiferromagnético entre 19 e 80 K e paramagnético acima de 80 K.

Érbio pode formar aglomerados atômicos em forma de hélice Er₃N, onde a distância entre os átomos de érbio é de 0,35 nm. Esses aglomerados podem ser isolados encapsulando-os em moléculas de fulereno, conforme confirmado por microscopia eletrônica de transmissão.

Como a maioria dos elementos de terras raras, o érbio é geralmente encontrado no estado de oxidação +3. No entanto, é possível que o érbio também seja encontrado nos estados de oxidação 0, +1 e +2.

Propriedades químicas

Érbio metálico retém seu brilho em ar seco, porém embaça lentamente em ar úmido e queima facilmente para formar óxido de érbio (III):

4 Er + 3 O₂ → 2 Er₂O₃

Érbio é bastante eletropositivo e reage lentamente com água fria e rapidamente com água quente para formar hidróxido de érbio:

2 Er (s) + 6 H₂O (l) → 2 Er(OH)₃ (aq) + 3 H₂ (g)

Érbio metálico reage com todos os halogênios:

2 Er (s) + 3 F₂ (g) → 2 ErF₃ (s) [pink]

2 Er (s) + 3 Cl₂ (g) → 2 ErCl₃ (s) [violeta]

2 Er (s) + 3 Br₂ (g) → 2 ErBr₃ (s) [violeta]

2 Er (s) + 3 I₂ (g) → 2 ErI₃ (s) [violeta]

Érbio se dissolve prontamente em ácido sulfúrico diluído para formar soluções contendo íons de Er(III) hidratados, que existem como vermelho rosa [Er(OH₂)₉]³⁺ complexos de hidratação:

2 Er (s) + 3 H₂Então...₄ (aq) → 2 Er³⁺ (aq) + 3 Então...^2-
₄ (aq) + 3 H₂ (g)

Compostos de organoerbio

Compostos de organoerbio são muito semelhantes aos dos outros lantanídeos, pois todos compartilham uma incapacidade de sofrer backbonding π. Eles são, portanto, principalmente restritos aos ciclopentadienídeos principalmente iônicos (isoestruturais com os de lantânio) e aos alquis e aris simples com ligações σ, alguns dos quais podem ser poliméricos.

Isótopos

O érbio natural é composto por 6 isótopos estáveis, ¹⁶²
Er
, ¹⁶⁴
Er
, ¹⁶⁶
Er
, ¹⁶⁷
Er
, ¹⁶⁸
Er
e ¹⁷⁰
Er
, com ¹⁶⁶
Er
sendo o mais abundante (33,503% de abundância natural). 29 radioisótopos foram caracterizados, sendo o mais estável ¹⁶⁹
Er
com meia-vida de 9,4 d, ¹⁷²
Er
com uma meia-vida de 49,3 h, ¹⁶⁰
Er
com meia-vida de 28,58 h, ¹⁶⁵
Er
com meia-vida de 10,36 h e ¹⁷¹
Er
com meio vida útil de 7.516 h. Todos os isótopos radioativos restantes têm meias-vidas inferiores a 3,5 h, e a maioria dos estes têm meias-vidas inferiores a 4 minutos. Este elemento também possui 13 meta-estados, sendo o mais estável ^167m
Er
com meia-vida de 2,269 s.

Os isótopos do érbio variam em peso atômico de 142,9663 u (¹⁴³
Er
) para 176.9541 u (¹⁷⁷
Er
). O modo de decaimento primário antes do isótopo estável mais abundante, ¹⁶⁶
Er
, é a captura de elétrons, e o modo primário depois é o decaimento beta. Os produtos de decaimento primário antes de ¹⁶⁶
Er
são elementos 67 (hólmio) isótopos, e os produtos primários depois são os isótopos do elemento 69 (túlio).

História

Carl Gustaf Mosander, o cientista que descobriu erbium, lantânio e terbium.

Érbio (para Ytterby, uma vila na Suécia) foi descoberto por Carl Gustaf Mosander em 1843. Mosander estava trabalhando com uma amostra do que se pensava ser o único óxido de metal ítria, derivado do mineral gadolinita. Ele descobriu que a amostra continha pelo menos dois óxidos metálicos além de ítria pura, que ele chamou de "erbia" e "térbia" depois da vila de Ytterby, onde a gadolinita foi encontrada. Mosander não tinha certeza da pureza dos óxidos e testes posteriores confirmaram sua incerteza. Não só a "yttria" contêm ítrio, érbio e térbio; nos anos seguintes, químicos, geólogos e espectroscopistas descobriram cinco elementos adicionais: itérbio, escândio, túlio, hólmio e gadolínio.

Erbia e terbia, no entanto, foram confundidos neste momento. Um espectroscopista erroneamente trocou os nomes dos dois elementos durante a espectroscopia. Depois de 1860, a térbia foi renomeada para erbia e, depois de 1877, o que era conhecido como erbia foi renomeado para térbia. O relativamente puro Er₂O₃ foi isolado independentemente em 1905 por Georges Urbain e Charles James. O érbio metálico razoavelmente puro não foi produzido até 1934, quando Wilhelm Klemm e Heinrich Bommer reduziram o cloreto anidro com vapor de potássio. Foi apenas na década de 1990 que o preço do óxido de érbio derivado da China tornou-se baixo o suficiente para que o érbio fosse considerado para uso como corante em vidro artístico.

Ocorrência

areia de Monazite

A concentração de érbio na crosta terrestre é de cerca de 2,8 mg/kg e na água do mar de 0,9 ng/L. O érbio é o 44º elemento mais abundante na crosta terrestre em cerca de 3,0–3,8 ppm.

Como outras terras raras, este elemento nunca é encontrado como um elemento livre na natureza, mas é encontrado preso em minérios de areia monazita. Historicamente, tem sido muito difícil e caro separar as terras raras umas das outras em seus minérios, mas os métodos de cromatografia de troca iônica desenvolvidos no final do século 20 reduziram bastante o custo de produção de todos os metais de terras raras e seus compostos químicos.

As principais fontes comerciais de érbio são os minerais xenotime e euxenite e, mais recentemente, as argilas de adsorção de íons do sul da China; em consequência, a China tornou-se agora o principal fornecedor global deste elemento. Nas versões com alto teor de ítrio desses concentrados de minério, o ítrio é cerca de dois terços do total em peso e o érbia é cerca de 4 a 5%. Quando o concentrado é dissolvido em ácido, o érbio libera íon érbio suficiente para conferir uma cor rosa distinta e característica à solução. Esse comportamento de cor é semelhante ao que Mosander e os outros primeiros pesquisadores dos lantanídeos teriam visto em seus extratos dos minerais de gadolinita de Ytterby.

Produção

Os minerais triturados são atacados por ácido clorídrico ou sulfúrico que transforma óxidos de terras raras insolúveis em cloretos ou sulfatos solúveis. Os filtrados ácidos são parcialmente neutralizados com soda cáustica (hidróxido de sódio) para pH 3–4. O tório precipita da solução como hidróxido e é removido. Depois disso, a solução é tratada com oxalato de amônio para converter as terras raras em seus oxalatos insolúveis. Os oxalatos são convertidos em óxidos por recozimento. Os óxidos são dissolvidos em ácido nítrico que exclui um dos principais componentes, o cério, cujo óxido é insolúvel em HNO₃. A solução é tratada com nitrato de magnésio para produzir uma mistura cristalizada de sais duplos de metais de terras raras. Os sais são separados por troca iônica. Neste processo, íons de terras raras são sorvidos em resina de troca iônica adequada por troca com hidrogênio, amônio ou íons cúpricos presentes na resina. Os íons de terras raras são então lavados seletivamente por um agente complexante adequado. Érbio metálico é obtido de seu óxido ou sais por aquecimento com cálcio a 1450 °C sob atmosfera de argônio.

Aplicativos

Vidro de cor erótica

Os usos diários do Erbium são variados. É comumente usado como filtro fotográfico e, devido à sua resiliência, é útil como aditivo metalúrgico.

Lasers e óptica

Uma grande variedade de aplicações médicas (ou seja, dermatologia, odontologia) utilizam íons de érbio 2940 nm (ver laser Er:YAG), que é altamente absorvido em água (coeficiente de absorção de cerca de 12000/cm). Essa deposição de tecido raso de energia de laser é necessária para cirurgia a laser e a produção eficiente de vapor para ablação de esmalte a laser em odontologia.

Fibras ópticas de sílica-vidro dopadas com érbio são o elemento ativo em amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs), que são amplamente utilizados em comunicações ópticas. As mesmas fibras podem ser usadas para criar lasers de fibra. Para funcionar eficientemente, a fibra dopada com érbio é geralmente co-dopada com modificadores/homogeneizadores de vidro, geralmente alumínio ou fósforo. Esses dopantes ajudam a evitar o agrupamento de íons Er e transferem a energia de forma mais eficiente entre a luz de excitação (também conhecida como bomba óptica) e o sinal. A co-dopagem de fibra óptica com Er e Yb é usada em lasers de fibra Er/Yb de alta potência. O érbio também pode ser usado em amplificadores de guia de onda dopados com érbio.

Outras aplicações

Quando adicionado ao vanádio como uma liga, o érbio reduz a dureza e melhora a trabalhabilidade. Uma liga de érbio-níquel Er₃Ni tem uma capacidade de calor específica excepcionalmente alta em temperaturas de hélio líquido e é usada em resfriadores criogênicos; uma mistura de 65% Er₃Co e 35% Er_0,9Yb_0,1Ni em volume melhora ainda mais a capacidade específica de calor.

O óxido de érbio tem uma cor rosa e às vezes é usado como corante para vidro, zircônia cúbica e porcelana. O vidro é frequentemente usado em óculos de sol e joias baratas.

Érbio é usado em tecnologia nuclear em hastes de controle de absorção de nêutrons. ou como um veneno queimável em projetos de combustível nuclear. Recentemente, o érbio tem sido utilizado em experimentos relacionados à fusão por confinamento em rede.

Papel biológico e precauções

Érbio não tem função biológica, mas sais de érbio podem estimular o metabolismo. Os seres humanos consomem 1 miligrama de érbio por ano, em média. A maior concentração de érbio em humanos está nos ossos, mas também há érbio nos rins e fígado humanos. O érbio é ligeiramente tóxico se ingerido, mas os compostos de érbio não são tóxicos. Érbio metálico em forma de pó apresenta risco de incêndio e explosão.