Erbio

Para la serie de televisión, véase ER (serie de TV).
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68		 Er
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
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Información general
Nombre, símbolo, número Erbio, Er, 68
Serie química Lantánidos
Grupo, período, bloque -, 6, f
Masa atómica 167,259 u
Configuración electrónica [Xe] 4f12 6s2
Dureza Mohs


Electrones por nivel 2, 8, 18, 30, 8, 2 (imagen)
Apariencia Blanco plateado
Propiedades atómicas
Radio medio 175 pm
Electronegatividad 1,24 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc) 226 pm (radio de Bohr)
Estado(s) de oxidación 3
Óxido Básico
1.ª energía de ionización 589,3 kJ/mol
2.ª energía de ionización 1150 kJ/mol
3.ª energía de ionización 2194 kJ/mol
4.ª energía de ionización 4120 kJ/mol
Líneas espectrales
Propiedades físicas
Estado ordinario Sólido
Densidad 9066 kg/m3
Punto de fusión 1795 K (1522 °C)
Punto de ebullición 3136 K (2863 °C)
Entalpía de vaporización 261 kJ/mol
Entalpía de fusión 17,2 kJ/mol
Volumen molar 18,45·10-6 m³/mol m3/mol
Módulo de compresibilidad 44,4 GPa
Varios
Estructura cristalina Hexagonal
Calor específico 170 J/(kg·K)
Conductividad eléctrica 1,17·106 S/m
Conductividad térmica 14,3 W/(m·K)
Módulo elástico 69,9 GPa
Módulo de cizalladura 28,3 GPa
Velocidad del sonido 2830 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del erbio
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
160ErSintético28,58 hε0,330160Ho
162Er0,139%Estable con 94 neutrones
164Er1,601%Estable con 96 neutrones
165ErSintético10,36 hε0,376165Ho
166Er33,503%Estable con 98 neutrones
167Er22,869%Estable con 99 neutrones
168Er26,978%Estable con 100 neutrones
169ErSintético9,4 dβ-0,351169Tm
170Er14,910%Estable con 102 neutrones
171ErSintético7,516 hβ-1,490171Tm
172ErSintético49,3 hβ-0,891172Tm
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.
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El erbio es un elemento químico de la tabla periódica cuyo símbolo es Er y su número atómico es 68. El erbio es un elemento un tanto raro de color plateado perteneciente a los lantánidos y que aparece asociado a otros lantánidos en el mineral gadolinita procedente de Ytterby (Suecia).

Los usos principales de Erbium incluyen sus iones Er3+ de color rosa, que tienen propiedades ópticas fluorescentes 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 Er3+ se bombean ópticamente a alrededor de 980 o 1480 nm y luego irradian luz a 1530 nm en emisión estimulada. Este proceso da como resultado un amplificador óptico láser inusualmente mecánicamente 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 en particular.

Además de los láseres amplificadores de fibra óptica, una gran variedad de aplicaciones médicas (es decir, dermatología, odontología) dependen de la emisión de 2940 nm del ion erbio (ver Er:YAG laser) cuando iluminado a otra longitud de onda, que es muy absorbida en el agua de los tejidos, por lo que su efecto es 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

Fragmentos de erbio metálico.

El erbio es un elemento trivalente, maleable, relativamente estable en el aire y no se oxida tan rápidamente como otros metales de las tierras raras. Sus sales son rosadas y el elemento origina un característico espectro de absorción en el espectro visible, ultravioleta y cerca del infrarrojo. Su óxido es la erbia. Las propiedades del erbio están muy influenciadas por la cantidad y tipo de impurezas presentes. El erbio no tiene papel biológico conocido alguno aunque algunos creen que es capaz de estimular el metabolismo. Los cristales o vidrios dopados con erbio pueden ser utilizados en amplificación óptica, en la que los iones de erbio son bombeados ópticamente alrededor de las longitudes de ondas de 980 nm o 1480 nm e irradian luz en longitudes de onda de 1550 nm. Este proceso puede ser utilizado para crear láseres y amplificadores ópticos. La longitud de onda de 1550 nm es especialmente importante para las comunicaciones ópticas porque las fibras ópticas normalizadas tienen pérdidas mínimas en esta longitud de onda.

Propiedades físicas

Cloruro de erbio(III) a la luz del sol, mostrando algo de fluorescencia rosada de Er+3 procedente de la luz ultravioleta natural.

Un elemento trivalente, el erbio puro metálico es maleable, suave pero estable en el aire, y no se oxida tan rápido como otros metales de tierras raras. Sus sales son color rosa, y el elemento tiene un espectro de absorción características con bandas nítidas en luz visible, ultravioleta, y cerca de infrarrojo. 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.[1]​

El erbio es ferromagnético por debajo de 19 K, antiferromagnético entre 19 y 80 K y paramagnético por encima de 80 K.[2]​

El erbio puede formar grupos atómicos en forma de hélice Er3N, 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.[3]​

Propiedades químicas

El metal de erbio retiene el lustre en aire seco, sin embargo desarrolla una pátina en aire húmedo y se quema para formar óxido de erbio(III):[4]​

4 Er + 3 O2 → 2 Er2O3

El erbio es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría y bastante rápido con agua caliente formando hidróxido de erbio:

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

El erbio metálico reacciona con todos los halógenos:[5]​

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

El erbio se disuelve en ácido sulfúrico diluido formando soluciones que contienen iones hidratados de Er(III), que existen en complejos hidratados [Er(OH2)9]3+ rosados rojizos:[5]​

2 Er (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Er3+ (aq) + 3 SO2−
4 (aq) + 3 H2 (g)

Aplicaciones

Las aplicaciones del erbio son variadas; es utilizado habitualmente como filtro fotográfico y debido a su resistencia es útil como aditivo metalúrgico. Otros usos del erbio son:

  • Cuando se adiciona al vanadio como elemento de aleación el erbio rebaja la dureza y mejora el mecanizado.
  • El óxido de erbio tiene un color rosa y se utiliza a veces como colorante para vidrios y esmaltes para porcelanas. Ese mismo vidrio se utiliza a menudo en gafas de sol y joyería barata.
  • Las fibras ópticas de silicio dopadas con erbio son el elemento activo en los amplificadores de fibra dopados con erbio (EDFA), los cuales son ampliamente utilizados en comunicaciones ópticas. Las mismas fibras se pueden usar para crear fibras láser. La fibra dopada conjuntamente con erbio e iterbio se utiliza en fibras láser de gran potencia, las cuales están reemplazando gradualmente las fibras láser de CO2 en aplicaciones de soldadura y corte.

Historia

El erbio (de Ytterby, una ciudad sueca) fue descubierto por Carl Gustaf Mosander en 1843. Mosander separó la "itria" del mineral gadolinita en tres fracciones que denominó itria, erbia, y terbia. Nombró al nuevo elemento en honor a la ciudad de Ytterby, donde se encontraron grandes concentraciones de itria y erbio. La erbia y la terbia, sin embargo, se confundían por aquellos tiempos. Después de 1860, la terbia fue renombrada como erbia y en 1877 lo que era conocido como erbia se llamó terbia. Óxido de erbio (Er2O3) bastante puro fue aislado de forma independiente por Georges Urbain y Charles James en 1905. Hasta 1934 no se consiguió obtener erbio lo suficientemente puro hasta cuando se consiguió reducir el cloruro anhidro con vapor de potasio.

Abundancia y obtención

Arena de monazita.

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.[6]​ Esta concentración es suficiente para que el erbio ocupe el puesto 45 en abundancia de elementos en la corteza terrestre.

Al igual que otras tierras raras, este elemento nunca se encuentra como elemento libre en la naturaleza, sino que se encuentra unido 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[7]​ desarrollados a finales del siglo XX han reducido en gran medida el coste de producción de todos los metales de tierras raras y sus compuestos químicos.

Como otras tierras raras, el erbio nunca se encuentra como elemento libre en la naturaleza pero sí en minerales como la monazita. Históricamente siempre ha sido difícil y caro separar las tierras raras unas de otras a partir de sus menas pero las técnicas de producción basadas en el intercambio iónico desarrolladas a finales del siglo XX ha abaratado apreciablemente el coste de todas las tierras raras y sus compuestos químicos. Las principales fuentes comerciales de erbio son los minerales xenotimo y euxenita y recientemente las arcillas de adsorción iónica de China meridional. En las muestras ricas de itrio de este tipo de mena, el itrio representa alrededor de los 2/3 de la masa total; y la erbia (óxido de erbio) representa entre el 4 y 5%. Esta cantidad de erbio es suficiente para conferir un color rosa característico a la disolución cuando la muestra rica en erbio se disuelve en medio ácido. Este comportamiento cromático es extraordinariamente similar al que Mosander y los demás científicos que trabajaron con las tierras raras podrían haber visto en sus muestras de gadolinita procedente de Ytterby.

Isótopos

El erbio aparece en la naturaleza como mezcla de 6 isótopos estables: 162Er, 164Er, 166Er, 167Er, 168Er y 170Er; siendo el 166Er el más abundante (33,503% de abundancia). Se han caracterizado 29 radioisótopos, siendo el más estable el 169Er con un periodo de semidesintegración de 9,4 días, el 172Er con uno de 49,3 horas, el 160Er con uno de 28,58 horas, el 165Er con uno de 10,36 horas y el 171Er con uno de 7,516 horas. Los restantes isótopos radiactivos tienen períodos de semidesintegración inferiores a las 3,5 horas y la mayoría de ellos la tienen menor de 4 minutos. El erbio también tiene 13 metaestados, siendo el más estable el 167mEr (t½ 2,269 segundos).

La masa atómica de los isótopos del erbio varía entre 142,9663 u (143Er) y 176,9541 u (177Er). El principal modo de desintegración de los isótopos anteriores al isótopo estable más abundante, el 166Er, es la captura electrónica y el principal modo de los isótopos posteriores es la desintegración beta. Los productos de desintegración primarios anteriores al 166Er son isótopos del elemento 67 (holmio) y los productos de desintegración primarios posteriores son isótopos del elemento 69 (tulio).

Compuestos de erbio

Óxidos

Polvo de óxido de erbio (III) Artículo principal: óxido de erbio (III)

El óxido de erbio (III) (también conocido como erbia) es el único óxido de erbio conocido, 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.[8]​ Tiene una estructura cúbica que se asemeja al motivo bixbyita. Los centros de Er3+ son octaédricos.[9]​ La formación de óxido de erbio se logra quemando erbio metálico.[4]​ El óxido de erbio es insoluble en agua y soluble en ácidos minerales.

Haluros

El fluoruro de erbio (III) es un polvo rosado[10]​ que se puede producir haciendo reaccionar nitrato de erbio(III) y fluoruro de amonio.[11]​ Se puede utilizar para fabricar materiales transmisores de luz infrarroja[12]​ y materiales luminiscentes de conversión ascendente.[13]​ 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 ([NH4]2ErCl5) y luego calentándolo al vacío a 350-400 °C..[14]​[15]​[16]​ Forma cristales del tipo AlCl3, con cristales monoclínicos y el grupo puntual C2/m.[17]​ El hexahidrato de cloruro de erbio (III) también forma cristales monoclínicos con el grupo puntual de P2/n (P2/c) - C42h. En este compuesto, el erbio está octacoordinado para formar iones [Er(H2O)6Cl2]+ con el Cl− aislado completando la estructura.[18]​

El bromuro de erbio (III) es un sólido violeta. Se utiliza, al igual que otros compuestos de bromuro metálico, en el tratamiento de agua, análisis químicos y para determinadas aplicaciones de crecimiento de cristales.[19]​ El yoduro de erbio (III)[20]​ es un compuesto ligeramente rosado que es insoluble en agua. Puede prepararse haciendo reaccionar directamente erbio con yodo.[21]​

Precauciones

Como los demás lantánidos los compuestos de erbio tienen baja o moderada toxicidad, aunque su toxicidad no se ha investigado detalladamente. El erbio metálico en polvo representa un riesgo de incendio y explosión.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Emsley John (2001). Bloques de construcción de la naturaleza: una guía de la A a la Z de los elementos - Erbio. Oxford, Inglaterra, Reino Unido: Prensa de la Universidad de Oxford. pp. 136–139. ISBN 978-0-19-850340-8. 
  2. ↑ Jackson, M. (2000). «Magnetismo de tierras raras». El IRM trimestral 10 (3): 1. Archivado desde el original el 12 de julio de 2017. Consultado el 3 de mayo de 2009. 
  3. ↑ Sato, Yuta; Suenaga, Kazu; Okubo, Shingo; Okazaki, Toshiya; Iijima, Sumio (2007). «Structures of D5d-C80 and Ih-Er3N@C80 Fullerenes and Their Rotation Inside Carbon Nanotubes Demonstrated by Aberration-Corrected Electron Microscopy». Nano Letters 7 (12): 3704. Bibcode:2007NanoL...7.3704S. doi:10.1021/nl0720152. 
  4. ↑ a b Emsley, John (2001). "Erbium" Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to Elements.. Oxford, England, Uk: Oxford University Press. pp. 136–139. ISBN 978-0-19-850340-8. 
  5. ↑ a b «Chemical reactions of Erbium». Webelements. Consultado el 6 de junio de 2009. 
  6. ↑ Patnaik, Pradyot (2003). google.com/books?id=Xqj-TTzkvTEC&pg=PA293 Handbook of Inorganic Chemical Compounds. McGraw-Hill. pp. 293-295. ISBN 978-0-07-049439-8. Consultado el 6 de junio de 2009. 
  7. ↑ Primer artículo sobre el uso de la cromatografía de intercambio iónico por desplazamiento para separar las tierras raras: Spedding, F. H.; Powell, J. E. (1954). «A practical separation of yttrium group rare earths from gadolinite by ion-exchange». Chemical Engineering Progress 50: 7-15. 
  8. ↑ Aaron John Ihde (1984). The development of modern chemistry. Courier Dover Publications. pp. 378-379. ISBN 978-0-486-64235-2. 
  9. ↑ Adachi, Gin-ya; Imanaka, Nobuhito (1998). «The Binary Rare Earth Oxides». Chemical Reviews 98 (4): 1479-1514. PMID 11848940. doi:10.1021/cr940055h. 
  10. ↑ «Erbium Fluoride». 
  11. ↑ Linna Guo, Yuhua Wang, Zehua Zou, Bing Wang, Xiaoxia Guo, Lili Han, Wei Zeng (2014). «Facile synthesis and enhancement upconversion luminescence of ErF3 nano/microstructures via Li+ doping». Journal of Materials Chemistry C (en inglés) 2 (15): 2765. ISSN 2050-7526. doi:10.1039/c3tc32540g. Consultado el 26 de marzo de 2019. 
  12. ↑ 苏伟涛, 李斌, 刘定权,等. 氟化铒薄膜晶体结构与红外光学性能的关系[J]. 物理学报, 2007, 56(5):2541-2546.
  13. ↑ Yingxin Hao, Shichao Lv, Zhijun Ma, Jianrong Qiu (2018). «Understanding differences in Er 3+ –Yb 3+ codoped glass and glass ceramic based on upconversion luminescence for optical thermometry». RSC Advances (en inglés) 8 (22): 12165-12172. ISSN 2046-2069. PMC 9079277. PMID 35539388. doi:10.1039/C8RA01245H. 
  14. ↑ Brauer, G., ed. (1963). Handbook of Preparative Inorganic Chemistry (2nd edición). New York: Academic Press. 
  15. ↑ Meyer, G. (1989). «The Ammonium Chloride Route to Anhydrous Rare Earth Chlorides—The Example of Ycl 3». The Ammonium Chloride Route to Anhydrous Rare Earth Chlorides-The Example of YCl3. Inorganic Syntheses 25. pp. 146-150. ISBN 978-0-470-13256-2. doi:10.1002/9780470132562.ch35. 
  16. ↑ Edelmann, F. T.; Poremba, P. (1997). Herrmann, W. A., ed. Synthetic Methods of Organometallic and Inorganic Chemistry VI. Stuttgart: Georg Thieme Verlag. ISBN 978-3-13-103021-4. 
  17. ↑ Tempelton DH, Carter GF (1954). «The Crystal Structure of Yttrium Trichloride and Similar Compounds». J Phys Chem 58 (11): 940-943. doi:10.1021/j150521a002. 
  18. ↑ Graebner EJ, Conrad GH, Duliere SF (1966). «Crystallographic data for solvated rare earth chlorides». Acta Crystallographica 21 (6): 1012-1013. doi:10.1107/S0365110X66004420. 
  19. ↑ Elements, American. «Erbium Bromide». American Elements (en inglés). Consultado el 16 de noviembre de 2020. 
  20. ↑ Perry, Dale L (2011). Handbook of Inorganic Compounds (2 edición). Taylor & Francis. p. 163. ISBN 9781439814628. Consultado el 14 de diciembre de 2013. 
  21. ↑ Elements, American. «Erbium Iodide». American Elements (en inglés). Consultado el 16 de noviembre de 2020. 

Bibliografía

Enlaces externos