El erbio es un elemento químico de símbolo Er y número atómico 68. El erbio natural, un metal sólido de color blanco plateado [7] , cuando se aísla artificialmente, siempre se encuentra en combinación química con otros elementos. Es un lantánido , un elemento de tierras raras , que se encontró originalmente en la mina de gadolinita en Ytterby , Suecia , de donde proviene el nombre del elemento.
Los principales usos del erbio se relacionan con sus iones Er 3+ de color rosa , que tienen propiedades fluorescentes ópticas particularmente útiles en ciertas aplicaciones láser. Los vidrios o cristales dopados con erbio se pueden utilizar como medios de amplificación óptica, donde los iones Er 3+ se bombean ópticamente a alrededor de 980 o1480 nm y luego irradian luz a1530 nm en emisión estimulada. Este proceso da como resultado un amplificador óptico láser mecánicamente inusualmente simple para señales transmitidas por fibra óptica.La 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 (por ejemplo, dermatología, odontología) dependen del ion erbio.Emisión de 2940 nm (ver láser Er:YAG ) cuando se ilumina con otra longitud de onda, que se absorbe en gran medida en el agua de los tejidos, lo que hace que su efecto sea muy superficial. Esta deposición superficial de energía láser en los tejidos es útil en la cirugía láser y para la producción eficiente de vapor que produce la ablación del esmalte mediante los tipos comunes de láser dental .
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El erbio puro es un elemento trivalente , maleable (o fácilmente moldeable), blando pero estable en el aire y no se oxida tan rápidamente como otros metales de tierras raras . Sus sales son de color rosa y el elemento tiene bandas de espectro de absorción características y nítidas en luz visible , ultravioleta e infrarrojo cercano . [8] Por lo demás, se parece mucho a las otras tierras raras. Su sesquióxido se llama erbia . Las propiedades del erbio están determinadas en cierta medida por el tipo y la cantidad de impurezas presentes. El erbio no desempeña ninguna función biológica conocida, pero se cree que puede estimular el metabolismo . [9]
El erbio es ferromagnético por debajo de 19 K, antiferromagnético entre 19 y 80 K y paramagnético por encima de 80 K. [10]
El erbio puede formar cúmulos atómicos en forma de hélice Er3N , donde la distancia entre los átomos de erbio es de 0,35 nm. Esos cúmulos pueden aislarse encapsulándolos en moléculas de fulerenos , como se confirma mediante microscopía electrónica de transmisión . [11]
Como la mayoría de los elementos de tierras raras , el erbio se encuentra generalmente 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 [12] .
El metal erbio conserva su brillo en el aire seco, sin embargo se empaña lentamente en el aire húmedo y se quema fácilmente para formar óxido de erbio (III) : [9]
El erbio es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría y bastante rápido con agua caliente para formar hidróxido de erbio: [13]
El metal erbio reacciona con todos los halógenos: [14]
El erbio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen iones Er(III) hidratados, que existen como complejos de hidratación de color rojo rosado [Er(OH 2 ) 9 ] 3+ : [14]
El erbio natural se compone de 6 isótopos estables , 162 Er, 164 Er, 166 Er, 167 Er, 168 Er y 170 Er, siendo 166 Er el más abundante (33,503% de abundancia natural ). Se han caracterizado 32 radioisótopos , siendo el más estable el 169 Er con una vida media de9.392 d , 172 Er con una vida media de49,3 h , 160 Er con una vida media de28,58 h , 165 Er con una vida media de10,36 h y 171 Er con una vida media de7,516 h . Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a3,5 h , y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 4 minutos. Este elemento también tiene 26 estados meta , siendo el más estable el 149m Er con una vida media de8,9 s . [6]
Los isótopos del erbio varían entre 143 Er y 180 Er. El modo de desintegración principal antes del isótopo estable más abundante, 166 Er, es la captura de electrones , y el modo principal después es la desintegración beta . Los productos de desintegración principales antes de 166 Er son los isótopos del elemento 67 ( holmio ), y los productos principales después son los isótopos del elemento 69 ( tulio ). [6]
Se ha identificado al 165 Er como útil para su uso en la terapia Auger , ya que se desintegra mediante captura de electrones y no emite radiación gamma . También se puede utilizar como trazador radiactivo para marcar anticuerpos y péptidos , aunque no se puede detectar mediante ningún tipo de imagen para el estudio de su distribución biológica. El isótopo se puede producir mediante el bombardeo de 166 Er con 165 Tm o 165 Er con 165 Ho , el último de los cuales es más conveniente debido a que 165 Ho es un isótopo primordial estable , aunque requiere un suministro inicial de 165 Er. [15]
El óxido de erbio (III) (también conocido como erbia) es el único óxido conocido de erbio, aislado por primera vez por Carl Gustaf Mosander en 1843, y obtenido por primera vez en forma pura en 1905 por Georges Urbain y Charles James . [16] Tiene una estructura cúbica que se asemeja al motivo de bixbyita . Los centros Er 3+ son octaédricos. [17] La formación de óxido de erbio se logra quemando erbio metálico, [9] oxalato de erbio u otras sales de oxiácido de erbio. [18] El óxido de erbio es insoluble en agua y ligeramente soluble en ácidos minerales calentados. El compuesto de color rosa se utiliza como activador de fósforo y para producir vidrio que absorbe infrarrojos . [18]
El fluoruro de erbio (III) es un polvo rosado [19] que se puede producir mediante la reacción de nitrato de erbio (III) y fluoruro de amonio . [20] Se puede utilizar para fabricar materiales transmisores de luz infrarroja [21] y materiales luminiscentes de conversión ascendente, [22] y es un intermediario en la producción de metal erbio antes de su reducción con calcio. [18] El cloruro de erbio (III) es un compuesto violeta que se puede formar calentando primero óxido de erbio (III) y cloruro de amonio para producir la sal de amonio del pentacloruro ([NH 4 ] 2 ErCl 5 ) y luego calentándolo al vacío a 350-400 °C. [23] [24] [25] Forma cristales del tipo AlCl 3 , con cristales monoclínicos y el grupo puntual C 2/m. [26] El cloruro de erbio (III) hexahidratado también forma cristales monoclínicos con el grupo puntual de P 2/ n ( P 2/ c ) - C 4 2h . En este compuesto, el erbio está octacoordinado para formar iones [Er(H 2 O) 6 Cl 2 ] + con el Cl − aislado completando la estructura. [27]
El bromuro de erbio (III) es un sólido violeta. Se utiliza, al igual que otros compuestos de bromuro metálico, en el tratamiento del agua, el análisis químico y para ciertas aplicaciones de crecimiento de cristales. [28] El yoduro de erbio (III) [29] es un compuesto ligeramente rosado que es insoluble en agua. Se puede preparar haciendo reaccionar directamente el erbio con yodo . [30]
Los compuestos de organoerbio son muy similares a los de los otros lantánidos , ya que todos ellos comparten la incapacidad de sufrir enlaces π . Por lo tanto, se limitan principalmente a los ciclopentadienuros, en su mayoría iónicos (isoestructurales con los del lantano) y a los alquilos y arilos simples con enlaces σ, algunos de los cuales pueden ser poliméricos. [31]
El erbio (por Ytterby , un pueblo en Suecia ) fue descubierto por Carl Gustaf Mosander en 1843. [32] Mosander estaba trabajando con una muestra de lo que se pensaba que era el óxido metálico único itrio , derivado del mineral gadolinita . Descubrió que la muestra contenía al menos dos óxidos metálicos además de itrio puro, a los que llamó " erbio " y " terbio " en honor al 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. No solo el "itrio" contenía itrio, erbio y terbio; en los años siguientes, químicos, geólogos y espectroscopistas descubrieron cinco elementos adicionales: iterbio , escandio , tulio , holmio y gadolinio . [33] : 701 [34] [35] [36] [37] [38]
Sin embargo, en esa época se confundían el erbio y el terbio. Marc Delafontaine , un espectroscopista suizo, cambió por error los nombres de los dos elementos en su trabajo en el que separaba los óxidos erbio y terbio. Después de 1860, el terbio pasó a llamarse erbio y, después de 1877, lo que se conocía como erbio pasó a llamarse terbio. [ 39] Georges Urbain y Charles James aislaron de forma independiente Er2O3 bastante puro en 1905. El metal erbio razonablemente puro no se produjo hasta 1934, cuando Wilhelm Klemm y Heinrich Bommer redujeron el cloruro anhidro con vapor de potasio . [40] [9]
La concentración de erbio en la corteza terrestre es de aproximadamente 2,8 mg/kg y en el agua de mar de 0,9 ng/L. [41] (La concentración de elementos menos abundantes puede variar con la ubicación en varios órdenes de magnitud [42], lo que hace que la abundancia relativa no sea confiable). Al igual que otras tierras raras, este elemento nunca se encuentra como elemento libre en la naturaleza, sino que se encuentra en minerales de monacita y bastnäsita . [9] Históricamente ha sido muy difícil y costoso separar las tierras raras entre sí en sus minerales, pero los métodos de cromatografía de intercambio iónico [43] desarrollados a fines del siglo XX han reducido en gran medida el costo de producción de todos los metales de tierras raras y sus compuestos químicos . [ cita requerida ]
Las principales fuentes comerciales de erbio son los minerales xenotima y euxenita y, más recientemente, las arcillas de adsorción iónica del sur de China. En consecuencia, China se ha convertido en el principal proveedor mundial de este elemento. [44] En las versiones con alto contenido de itrio de estos concentrados de mineral, el itrio constituye aproximadamente dos tercios del total en peso y el erbio representa aproximadamente el 4-5%. Cuando el concentrado se disuelve en ácido, el erbio libera suficiente ion erbio para impartir un color rosa distintivo y característico a la solución. Este comportamiento del color es similar a lo que Mosander y los otros primeros trabajadores de los lantánidos vieron en sus extractos de los minerales de gadolinita de Ytterby. [ cita requerida ]
Los minerales triturados son atacados por ácido clorhídrico o sulfúrico que transforma los óxidos insolubles de tierras raras en cloruros o sulfatos solubles. Los filtrados ácidos se neutralizan parcialmente con sosa 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 componentes principales, 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 intercambio con iones de hidrógeno, amonio o cúprico presentes en la resina. Los iones de tierras raras se eliminan luego selectivamente mediante un agente complejante adecuado. [41] El metal erbio se obtiene a partir de su óxido o sales calentándolo con calcio a1450 °C bajo atmósfera de argón. [41]
Una gran variedad de aplicaciones médicas (es decir, dermatología, odontología) utilizan iones de erbio.Emisión de 2940 nm (ver láser Er:YAG ), que se absorbe en gran medida en agua ( coeficiente de absorción de aproximadamente12 000 /cm ). Esta deposición superficial de energía láser en el tejido es necesaria para la cirugía láser y la producción eficiente de vapor para la ablación del esmalte con láser en odontología. [45] Las aplicaciones comunes de los láseres de erbio en odontología incluyen la odontología cosmética cerámica y la eliminación de brackets en aparatos de ortodoncia ; se ha observado que estas aplicaciones láser son más eficientes en términos de tiempo que realizar los mismos procedimientos con instrumentos dentales rotatorios . [46]
Las fibras ópticas de vidrio de sílice dopadas con erbio son el elemento activo de los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFAs), que se utilizan ampliamente en las comunicaciones ópticas . [47] Las mismas fibras se pueden utilizar para crear láseres de fibra . Para que funcione de manera eficiente, la fibra dopada con erbio suele co-doparse 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 co-dopaje 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 . [9]
Cuando se añade al vanadio como aleación , el erbio reduce la dureza y mejora la trabajabilidad. [48] Una aleación de erbio- níquel Er3Ni tiene una capacidad calorífica específica inusualmente alta a temperaturas de helio líquido y se utiliza en crioenfriadores ; una mezcla de 65% Er3Co y 35% Er0.9Yb0.1Ni por volumen mejora la capacidad calorífica específica aún más. [ 49 ] [50]
El óxido de erbio tiene un color rosado y a veces se utiliza como colorante para vidrio , circonio cúbico y porcelana . El vidrio se suele utilizar en gafas de sol y joyas , [9] [48] [51] o donde se necesita absorción de infrarrojos. [18]
El erbio se utiliza en tecnología nuclear en barras de control que absorben neutrones . [9] [52] o como veneno combustible en el diseño de combustible nuclear. [53]
El erbio no tiene un papel biológico, pero las sales de erbio pueden estimular el metabolismo . Los seres humanos consumen un miligramo de erbio al año en promedio. La mayor concentración de erbio en los seres humanos se encuentra en los huesos , pero también hay erbio en los riñones y el hígado humanos . [9]
El erbio es ligeramente tóxico si se ingiere, pero los compuestos de erbio generalmente no son tóxicos. [9] El erbio iónico se comporta de manera similar al calcio iónico y puede unirse potencialmente a proteínas como la calmodulina . Cuando se introducen en el cuerpo, los nitratos de erbio, de manera similar a otros nitratos de tierras raras, aumentan los niveles de triglicéridos en el hígado y causan fugas de enzimas hepáticas (relacionadas con el hígado) a la sangre, aunque de manera única (junto con los nitratos de gadolinio y disprosio) aumentan la actividad de la ARN polimerasa II . [54] La ingestión [55] y la inhalación [56] son las principales vías de exposición al erbio y otras tierras raras, ya que no se difunden a través de la piel intacta. [54]
El erbio metálico en forma de polvo presenta peligro de incendio y explosión. [57] [58] [59]
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