El disprosio es un elemento químico de símbolo Dy y número atómico 66. Es un elemento de tierras raras de 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 está compuesto por siete isótopos , el más abundante de los cuales es el 164 Dy.
El disprosio fue identificado por primera vez en 1886 por Paul Émile Lecoq de Boisbaudran , pero no fue aislado 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 pueda 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 −3 ) en aplicaciones de almacenamiento de datos y como componente del terfenol-D (un material magnetoestrictivo ). Las sales solubles de disprosio son ligeramente tóxicas, mientras que las sales insolubles se consideran no tóxicas.
El disprosio es un elemento de tierras raras y tiene un brillo plateado metálico brillante. Es bastante blando y se puede mecanizar sin que se produzcan chispas si se evita el sobrecalentamiento. Las características físicas del disprosio pueden verse muy afectadas incluso por pequeñas cantidades de impurezas. [9]
El disprosio y el holmio tienen las fuerzas magnéticas más altas de los elementos, [10] especialmente a bajas temperaturas. [11] El disprosio tiene un ordenamiento ferromagnético simple a temperaturas inferiores a su temperatura de Curie de 90,5 K (−182,7 °C), punto en el que experimenta una transición de fase de primer orden desde la estructura cristalina ortorrómbica a la estructura hexagonal compacta (hcp). [3] Luego tiene un estado antiferromagnético helicoidal , en el que todos los momentos magnéticos atómicos en una capa particular del plano basal son paralelos y están orientados en un ángulo fijo a los momentos de las capas adyacentes. Este antiferromagnetismo inusual se transforma en un estado desordenado ( paramagnético ) a 179 K (−94 °C). [12] Se transforma de la fase hcp a la fase cúbica centrada en el cuerpo a 1654 K (1381 °C). [3]
El metal disprosio conserva su brillo en el aire seco, pero se empaña lentamente en el aire húmedo y se quema fácilmente para formar óxido de disprosio (III) :
El disprosio es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría (y rápidamente con agua caliente) para formar hidróxido de disprosio :
El hidróxido de disprosio se descompone para formar DyO(OH) a temperaturas elevadas, que luego se descompone nuevamente en óxido de disprosio (III). [13]
El metal disprosio reacciona vigorosamente con todos los halógenos a temperaturas superiores a 200 °C: [ cita requerida ]
El disprosio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen iones Dy(III) amarillos, que existen como un complejo [Dy(OH 2 ) 9 ] 3+ : [14]
El compuesto resultante, sulfato de disprosio (III), es notablemente paramagnético.
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 que es altamente magnético , más que el óxido de hierro. [11]
El disprosio se combina con varios no metales a altas temperaturas para formar compuestos binarios con composición variable y estados de oxidación +3 y a veces +2, como DyN, DyP, DyH 2 y DyH 3 ; DyS, DyS 2 , Dy 2 S 3 y Dy 5 S 7 ; DyB 2 , DyB 4 , DyB 6 y DyB 12 , así como Dy 3 C y Dy 2 C 3 . [15]
El carbonato de disprosio, Dy 2 (CO 3 ) 3 , y el sulfato de disprosio, Dy 2 (SO 4 ) 3 , resultan de reacciones similares. [16] 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. [17] [18] Se sabe que dos de los carbonatos de disprosio más abundantes, Dy2 ( CO3 ) 3 · 2–3H2O ( similar al mineral tengerita-(Y)) y DyCO3 ( OH) (similar a los minerales kozoíta-(La) y kozoíta-(Nd)), se forman a través de una fase precursora mal ordenada (amorfa) con una fórmula de Dy2 ( CO3 ) 3 · 4H2O . Este precursor amorfo consiste en nanopartículas esféricas altamente hidratadas de 10–20 nm de diámetro que son excepcionalmente estables bajo tratamiento en seco a temperatura ambiente y alta. [19]
El disprosio forma varios intermetálicos , incluidos los estanuros de disprosio . [20]
El disprosio natural se compone de siete isótopos : 156 Dy, 158 Dy, 160 Dy, 161 Dy, 162 Dy, 163 Dy y 164 Dy. Todos ellos se consideran estables, aunque solo los dos últimos son teóricamente estables: los demás pueden sufrir teóricamente desintegración alfa. De los isótopos naturales, el 164 Dy es el más abundante con un 28%, seguido del 162 Dy con un 26%. El menos abundante es el 156 Dy con un 0,06%. [21] El disprosio es el elemento más pesado que tiene isótopos que se predice que son estables en lugar de isótopos observacionalmente estables que se predice que son radiactivos.
Se han sintetizado veintinueve radioisótopos , cuya masa atómica varía entre 138 y 173. El más estable de ellos es el 154 Dy, con una vida media de aproximadamente 3 × 106 años, seguido por 159 Dy con una vida media de 144,4 días. El menos estable es 138 Dy, con una vida media de 200 ms. Como regla general, los isótopos que son más ligeros que los isótopos estables tienden a decaer principalmente por decaimiento β + , mientras que los que son más pesados tienden a decaer por decaimiento β − . Sin embargo, 154 Dy se decae principalmente por decaimiento alfa, y 152 Dy y 159 Dy se decaen principalmente por captura de electrones . [21] El disprosio también tiene al menos 11 isómeros metaestables , que varían en masa atómica de 140 a 165. El más estable de estos es 165m Dy, que tiene una vida media de 1,257 minutos. 149 Dy tiene dos isómeros metaestables, el segundo de los cuales, 149m2 Dy, tiene una vida media de 28 ns. [21]
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 de este en París en 1886. [22] [23] Su procedimiento para aislar el disprosio implicaba 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 con su procedimiento. Al tener éxito, nombró al elemento disprosio del griego dysprositos (δυσπρόσιτος), que significa "difícil de obtener". El elemento no se aisló en forma relativamente pura hasta después del desarrollo de técnicas de intercambio iónico por Frank Spedding en la Universidad Estatal de Iowa a principios de la década de 1950. [10] [24]
Debido a su papel en los imanes permanentes utilizados en las turbinas eólicas, se ha argumentado [ ¿quién lo ha afirmado? ] que el disprosio será uno de los principales objetos de la competencia geopolítica en un mundo que funcione con energía renovable. Pero esta perspectiva ha sido criticada por no reconocer que la mayoría de las turbinas eólicas no utilizan imanes permanentes y por subestimar el poder de los incentivos económicos para una mayor producción. [25] [26]
En 2021, Dy se convirtió en un gas cuántico supersólido bidimensional . [27]
Aunque el disprosio nunca se encuentra como elemento libre, se encuentra en muchos minerales , entre ellos xenotima , fergusonita , gadolinita , euxenita , policrasa , blomstrandina , monacita y bastnäsita , a menudo con erbio y holmio u otros elementos de tierras raras. Todavía no se ha encontrado ningún mineral con predominio de disprosio (es decir, con disprosio prevaleciendo sobre otras tierras raras en la composición). [28]
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). [29] [30] La concentración de Dy en la corteza terrestre es de aproximadamente 5,2 mg/kg y en el agua de mar de 0,9 ng/L. [15]
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 . El disprosio se puede separar luego de otros metales de tierras raras mediante un proceso de desplazamiento por intercambio iónico . Los iones de disprosio resultantes pueden reaccionar luego 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: [16]
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. [16]
Cada año se producen alrededor de 100 toneladas de disprosio en todo el mundo [31] , y el 99% de ese total se produce en China. [32] Los precios del disprosio han aumentado casi veinte veces, desde 7 dólares por libra en 2003 a 130 dólares por libra a fines de 2010. [32] El precio aumentó a 1.400 dólares/kg en 2011, pero cayó a 240 dólares en 2015, en gran parte debido a la producción ilegal en China que eludió las restricciones gubernamentales. [33]
En la actualidad, la mayor parte del disprosio se obtiene de los minerales de arcilla de adsorción iónica del sur de China. [34] En noviembre de 2018 [actualizar], la planta piloto del Proyecto Browns Range, a 160 km al sureste de Halls Creek, Australia Occidental , produce 50 toneladas (49 toneladas largas) por año. [35] [36]
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 inmediatamente adecuado, 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. [37] A fines de 2015, existe una industria naciente de extracción de tierras raras (incluido el disprosio) en Australia. [38]
El disprosio se utiliza, junto con el vanadio y otros elementos, en la fabricación de materiales para láser e iluminación comercial. Debido a la alta sección transversal de absorción de neutrones térmicos del disprosio, los cermets de óxido de disprosio y níquel se utilizan en barras de control que absorben neutrones en reactores nucleares . [10] [39] Los calcogenuros de disprosio y cadmio son fuentes de radiación infrarroja , que es útil para estudiar reacciones químicas. [9] 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 . [40] El disprosio tiene una demanda cada vez mayor para los imanes permanentes utilizados en motores de automóviles eléctricos y generadores de turbinas eólicas. [41]
Los imanes de neodimio -hierro-boro pueden tener hasta un 6% del neodimio sustituido por disprosio [42] 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 cada automóvil eléctrico producido. Según las proyecciones de Toyota de 2 millones de unidades por año, el uso de disprosio en aplicaciones como esta agotaría rápidamente su suministro disponible. [43] La sustitución del disprosio también puede ser útil en otras aplicaciones porque mejora la resistencia a la corrosión de los imanes. [44]
El disprosio es uno de los componentes del terfenol-D , junto con el hierro y el terbio. El terfenol-D tiene la magnetostricción a temperatura ambiente más alta de todos los materiales conocidos, [45] por lo que se emplea en transductores , resonadores mecánicos de banda ancha , [46] e inyectores de combustible líquido de alta precisión. [47]
El disprosio se utiliza en dosímetros para medir la radiación ionizante . [48] Los cristales de sulfato de calcio o fluoruro de calcio se dopan 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 ha estado sometido el dosímetro. [10]
Las nanofibras de compuestos de disprosio tienen una alta resistencia y una gran área superficial. 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 DyBr3 y NaF a 450 °C a 450 bares durante 17 horas. Este material es notablemente robusto, sobreviviendo más de 100 horas en varias soluciones acuosas a temperaturas superiores a 400 °C sin redisolverse ni agregarse. [49] [50] [51] Además, el disprosio se ha utilizado para crear un supersólido bidimensional en un entorno de laboratorio. Se espera que los supersólidos presenten propiedades inusuales, incluida la superfluidez. [52]
El yoduro de disprosio y el bromuro de disprosio se utilizan en lámparas de haluro metálico de alta intensidad . Estos compuestos se disocian cerca del centro caliente de la lámpara, liberando átomos de disprosio aislados. Estos últimos reemiten luz en la parte verde y roja del espectro, produciendo así una luz brillante de manera efectiva. [10] [53]
Varias sales cristalinas paramagnéticas de disprosio (granate de disprosio-galio, DGG; granate de disprosio-aluminio, DAG; granate de disprosio-hierro, DyIG) se utilizan en refrigeradores de desmagnetización adiabática . [54] [55]
El ion disprosio trivalente (Dy 3+ ) se ha estudiado debido a sus propiedades de reducción de la luminiscencia. 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 para una nueva generación de diodos emisores de luz blanca bombeados por UV. [56]
Los isótopos estables del disprosio se han enfriado con láser y se han confinado en trampas magneto-ópticas [57] para experimentos de física cuántica . Los primeros gases degenerados cuánticos de Bose y Fermi de un lantánido de capa abierta se crearon con disprosio. [58] [59] Debido a que el disprosio es altamente magnético (de hecho, es el elemento fermiónico más magnético y casi empatado con el terbio en la mayoría de los átomos bosónicos magnéticos [60]) , estos gases sirven como base para la simulación cuántica con átomos fuertemente dipolares . [61]
Debido a sus fuertes propiedades magnéticas, las aleaciones de disprosio se utilizan en el sistema de navegación y medición de sonido ( SONAR ) de la industria marina. [62] [63] La inclusión de aleaciones de disprosio en el diseño de transductores y receptores SONAR puede mejorar la sensibilidad y la precisión al proporcionar campos magnéticos más estables y eficientes. [64]
Al igual que 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 delgadas 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. [65] Los incendios de cloruro de disprosio se pueden extinguir con agua. [66] El fluoruro de disprosio y el óxido de disprosio no son inflamables. [67] [68] El nitrato de disprosio, Dy(NO 3 ) 3 , es un agente oxidante fuerte y se enciende fácilmente al entrar en contacto con sustancias orgánicas. [11]
Las sales solubles de disprosio, como el cloruro de disprosio y el nitrato de disprosio, son levemente tóxicas cuando se ingieren. Según 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 (comparado con la dosis letal de 300 gramos de sal de mesa común para un ser humano de 100 kilogramos). Las sales insolubles no son tóxicas. [10]
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