Disprosio: estructura, propiedades, obtención, usos
El disprosio es un elemento metálico que pertenece a la serie lantánida, de las llamadas tierras raras, y cuyo símbolo químico es Dy. Su abundancia es relativamente baja, teniendo una concentración aproximada de 5.2 ppm en la corteza terrestre. Por lo general forma parte de minerales fosfatos y de otros tantos donde predominan óxidos de lantánidos.
El disprosio es, junto con el holmio, el metal con mayor fuerza magnética, por lo que es un componente esencial para la fabricación de imanes y equipos de almacenamiento de datos. A pesar de que su nombre es antecedido por el prefijo dis-, lo cierto es que representa uno de los metales con mayores y prometedoras aplicaciones tecnológicas.
El disprosio suele participar como catión Dy3+ en muchos de sus compuestos, poseyendo hasta cinco electrones desapareados en sus orbitales 4f, lo cual explica la procedencia de sus inusuales propiedades magnéticas. Sus compuestos, de coloraciones amarillentas o verdosas, son luminiscentes, emisores de radiación infrarroja, y buenos dopantes para materiales magnéticos.
Índice del artículo
- 1 Descubrimiento
- 2 Estructura del disprosio
- 3 Configuración electrónica
- 4 Propiedades del disprosio
- 5 Obtención
- 6 Usos/aplicaciones
- 7 Referencias
El disprosio fue descubierto en 1886 por el químico francés Paul Èmile Lecoq, quien estudiaba muestras de minerales de tierras raras y lo identificó espectroscópicamente analizando diferentes fracciones extraídas del óxido de holmio. Lecoq realizó más de 30 precipitaciones de los hidróxidos metálicos utilizando amoníaco, seguidamente de la obtención de sus respectivas sales de oxalatos.
A causa del extenso trabajo, Lecoq nombró a este metal ‘disprosio’, cuyo origen etimológico proviene de la palabra griega ‘dysprositos’, que viene a significar ‘difícil de obtener’.
No obstante, Lecoq solamente pudo preparar muestras impuras de disprosio. Debieron transcurrir cerca de 80 años para que, gracias a la invención y desarrollo de la cromatografía por intercambio iónico en 1950, fuera posible la producción de la primera muestra metálica y pura de disprosio. Esta hazaña científica fue obra del químico Frank Spedding.
Los átomos de disprosio, Dy, se mantienen cohesionados en sus cristales por acción del enlace metálico. Como resultado de estas interacciones, sus radios atómicos, y el modo de sus empaquetamientos, el disprosio termina adoptando una estructura cristalina hexagonal compacta (hcp), la cual caracteriza su dureza, y que corresponde a la fase α-Dy.
A bajas temperaturas, la estructura hcp sufre distorsiones ortorrómbicas (fase β-Dy), ocasionadas por las transiciones magnéticas entre los estados ferromagnético (por debajo de los -188.2 ºC) y antiferromagnético.
Mientras, a altas temperaturas (por encima de 1381 ºC), la estructura del disprosio se transforma a cúbica centrada en el cuerpo (bcc), correspondiendo a la fase o al alótropo γ-Dy.
La configuración electrónica y abreviada para el disprosio es la siguiente:
[Xe] 4f10 6s2
Al ser el décimo miembro de la serie lantánida, hay correspondencia entre este hecho y sus diez electrones en los orbitales 4f.
Cuando se oxida y pierde tres electrones, el catión Dy3+ resultante tiene configuración:
[Xe] 4f9 6s0
Donde permanecen hasta cinco electrones desapareados en sus orbitales 4f. Esta característica explica las inusuales propiedades magnéticas del disprosio y sus compuestos.
El disprosio es un metal grisáceo que se oscurece todavía más cuando se oxida. Presenta una considerable dureza, cuya superficie al limarse con una rueda desprende centellas de tonalidades verdosas amarillentas.
66
162.5 g/mol
1407 ºC
2562 ºC
A temperatura ambiente: 8.540 g/cm3
Justo en el punto de fusión: 8.37 g/cm3
El disprosio presenta los siguientes estados o números de oxidación en sus compuestos: 0 (Dy0 en aleaciones u organo compuestos), +1 (Dy+), +2 (Dy2+), +3 (Dy3+) y +4 (Dy4+). De todos ellos, el más estable y predominante es el +3, pues los cationes Dy3+ poseen una distintiva estabilidad electrónica.
1.22 en la escala de Pauling
Primera: 573 kJ/mol
Segunda: 1130 kJ/mol
Tercera: 2200 kJ/mol
Es fuertemente paramagnético por encima de los 300 K. Ni siquiera un poderoso imán de neodimio lo atrae con notable fuerza; a menos que se congele en nitrógeno líquido y alcance su estado ferromagnético. Entonces será atraído con mucha fuerza.
El disprosio metálico se oxida lenta o rápidamente en una llama para transformarse en su respectivo óxido:
4 Dy + 3 O2 → 2 Dy2O3
Este óxido, Dy2O3, tiene la particularidad de que posee propiedades magnéticas de mayores magnitudes que las del óxido de hierro, Fe2O3 (ambos sesquióxidos).
Asimismo, el disprosio metálico reacciona fácilmente con el agua fría o caliente para producir su hidróxido:
2 Dy + 6 H2O → 2 Dy(OH)3 + 3 H2
Y también directamente con los halógenos para formar una serie de haluros cuyos sólidos son blancos o verdosos amarillentos.
El disprosio es capaz de reaccionar a altas temperaturas con cualquiera de los no metales, para producir compuestos donde participa con estados de oxidación de +3 o +2. Sus sales de oxalato, Dy2(C2O4)3, son insolubles en agua, propiedad de la que se basó Lecoq para poder separarlo del óxido de holmio donde estaba presente.
El disprosio forma parte de muchos minerales de las tierras raras, entre ellos: xenotima, monacita, bastnäsita, euxenita, gadolinita, arcillas lateríticas, etc. Se le encuentra con una apreciable abundancia (7-8%) en las versiones de estos minerales ricas en itrio, acompañado además de los iones de los metales erbio y holmio.
No obstante, las arenas de monacita y los minerales fosfatos de las tierras raras son la principal fuente mineralógica y comercial para la producción del disprosio.
El disprosio es un producto secundario de la extracción y procesamiento metalúrgico del itrio. Sus iones Dy3+ se separan mediante métodos magnéticos durante un proceso de flotación, de manera que quede un concentrado de iones lantánidos, que a su vez terminan separándose aplicando las técnicas de cromatografía de intercambio iónico.
Los iones Dy3+ se reaccionan con distintos halógenos para obtener sus haluros, los cuales se reducen finalmente utilizando metales alcalinos o alcalinotérreos como agentes reductores:
3 Ca + 2 DyF3 → 2 Dy + 3 CaF2
Dicha reducción metalotérmica se realiza en un crisol de tantalio bajo una atmósfera inerte de helio.
La purificación del disprosio se logra separándolo de la mezcla enfriada, y destilándolo al vacío para eliminar las impurezas de otras sales, obteniendo así muestras metálicas cada vez más puras.
Los compuestos formados entre el disprosio y los calcogenuros (O, S, Se, etc.) son emisores de radiación infrarroja, la cual se utiliza en los análisis espectroscópicos para la elucidación de estructuras, caracterizaciones, y el seguimiento de reacciones químicas.
El disprosio es un excelente absorbente de neutrones, por lo que compone parte de las barras controladoras en los reactores nucleares de fisión, de manera que dispersan o neutralizan un exceso de la energía liberada.
En los estudios cinematográficos se utilizan lámparas que contienen yoduro de disprosio, DyI3, mezclado con yoduro de cesio y bromuro de mercurio, caracterizadas por su intensa luminiscencia.
Tanto el disprosio como sus iones son muy susceptibles a la magnetización, propiedad que los hace componentes ideales para la fabricación de unidades de disco duro para las computadoras, y dispositivos de almacenamiento de datos en general.
Los átomos de disprosio también sirven como aditivos para los poderosos imanes de neodimio (Nd-Fe-B), usados principalmente para los generadores eléctricos de las turbinas eólicas.
Asimismo, los iones de disprosio se combinan con algunas sales para concederles luminiscencia, la cual se activa ante la menor exposición de radiaciones ionizantes, utilizándose por lo tanto en dispositivos dosimétricos.
El disprosio es el componente esencial de la aleación Terfenol-D, la cual contiene además átomos de erbio y hierro. Es un material magnetoestrictivo, lo que significa que cambia de forma (se expande o contrae) cuando interactúa con diferentes sentidos de un campo magnético. El Terfenol-D tiene aplicaciones en sistemas de sonares, transductores, altavoces, sensores, etc.
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