El disprosio se sintetiza en las estrellas principalmente mediante el proceso s (captura lenta de neutrones) que ocurre en estrellas AGB (gigantes asintóticas) de baja a media masa, con una contribución significativa del proceso r (captura rápida de neutrones) durante eventos explosivos como las supernovas. Los modelos actuales de nucleosíntesis estiman que aproximadamente el 60-70% del disprosio solar proviene del proceso s, y el 30-40% del proceso r. Este origen mixto lo convierte en un trazador interesante de ambos procesos de nucleosíntesis.
La abundancia cósmica del disprosio es de aproximadamente 1,9×10⁻¹² veces la del hidrógeno en número de átomos, lo que lo hace ligeramente más abundante que el terbio. Debido a su número atómico par (Z=66), es más abundante que sus vecinos impares (Tb-65 y Ho-67), de acuerdo con la regla de Oddo-Harkins. En la serie de los lantánidos, el disprosio forma parte de las "tierras raras pesadas" cuyas abundancias disminuyen gradualmente con el aumento del número atómico, excepto por la anomalía del gadolinio (Z=64), que presenta una estabilidad particular.
La relación disprosio/europio (Dy/Eu) en las estrellas se utiliza como indicador del equilibrio entre los procesos s y r en la historia de la Galaxia. Dado que el europio se produce casi exclusivamente por el proceso r, una relación Dy/Eu alta en una estrella indica una contribución significativa del proceso s. Las estrellas jóvenes y ricas en metales generalmente tienen relaciones Dy/Eu más altas que las estrellas antiguas y pobres en metales, reflejando la acumulación progresiva de los productos del proceso s durante la evolución galáctica.
El disprosio ha sido detectado en los espectros de muchas estrellas, incluyendo estrellas pobres en metales del halo galáctico. Sus líneas espectrales (principalmente Dy II) son relativamente accesibles en espectroscopia astronómica. En los meteoritos condríticos, el disprosio presenta una abundancia similar a la del sol, confirmando su origen estelar. El estudio isotópico del disprosio en las inclusiones refractarias de meteoritos primitivos ha proporcionado información crucial sobre las condiciones de formación del sistema solar y la posible presencia de material estelar anómalo (anomalías isotópicas).
El disprosio toma su nombre del griego antiguo δυσπρόσιτος (dysprositos), que significa "difícil de alcanzar" o "de difícil acceso". Este nombre fue elegido por su descubridor para reflejar las dificultades que encontró para aislar este elemento de otras tierras raras. A diferencia de otros lantánidos nombrados en honor a lugares o personas, el nombre del disprosio describe directamente la complejidad de su separación química.
El disprosio fue descubierto en 1886 por el químico francés Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912), famoso por haber descubierto también el galio (1875) y el samario (1879). Lecoq de Boisbaudran trabajaba con muestras de holmia (óxido de holmio) y, tras más de 30 intentos de cristalizaciones fraccionadas, logró separar un nuevo óxido que identificó como perteneciente a un elemento desconocido. Observó líneas espectrales distintas y nombró al nuevo elemento "disprosio" debido a las dificultades extremas de su purificación.
El aislamiento del disprosio en forma pura fue un desafío técnico mayor durante décadas después de su descubrimiento. No fue hasta principios del siglo XX, con el desarrollo de técnicas de intercambio iónico y extracción por solventes, que el disprosio se obtuvo con la pureza suficiente para una caracterización completa. El metal en sí fue producido por primera vez en 1906 mediante la reducción del fluoruro de disprosio con calcio metálico, pero no fue hasta la década de 1950 que se desarrollaron procesos industriales confiables.
El disprosio está presente en la corteza terrestre a una concentración promedio de aproximadamente 5,2 ppm (partes por millón), lo que lo hace más abundante que el terbio pero menos que el gadolinio. Entre las tierras raras pesadas, es relativamente más abundante.
Los principales minerales que contienen disprosio son la bastnasita ((Ce,La,Nd,Dy)CO₃F) y la monacita ((Ce,La,Nd,Dy,Th)PO₄), donde representa típicamente del 0,5 al 1% del contenido total de tierras raras, y la xenotima (YPO₄) donde puede estar más concentrado.
La producción mundial de óxido de disprosio (Dy₂O₃) es de aproximadamente 100 a 200 toneladas por año, lo que es significativo pero sigue siendo bajo en comparación con las tierras raras ligeras como el cerio o el neodimio. Debido a su importancia estratégica para los imanes permanentes, el disprosio es una de las tierras raras más caras, con precios típicos de 300 a 600 dólares por kilogramo de óxido (con picos superiores a 2000 $/kg durante tensiones de suministro). China domina la producción con aproximadamente el 85-90% del total mundial.
El disprosio metálico se produce principalmente mediante reducción metalotérmica del fluoruro de disprosio (DyF₃) con calcio metálico en atmósfera inerte de argón. La producción anual mundial de disprosio metálico es de aproximadamente 50 a 100 toneladas. El reciclaje del disprosio a partir de imanes permanentes usados se ha convertido en una prioridad estratégica y es objeto de desarrollos intensivos, con los primeros procesos industriales ahora operativos.
El disprosio (símbolo Dy, número atómico 66) es el décimo elemento de la serie de los lantánidos, perteneciente a las tierras raras del bloque f de la clasificación periódica. Su átomo tiene 66 protones, 98 neutrones (para el isótopo más abundante \(\,^{164}\mathrm{Dy}\)) y 66 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f¹⁰ 6s². Esta configuración confiere al disprosio propiedades magnéticas excepcionales.
El disprosio es un metal plateado, brillante y relativamente estable al aire. Presenta una estructura cristalina hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente. El disprosio posee propiedades magnéticas excepcionales: es fuertemente paramagnético y presenta varias transiciones magnéticas. Se vuelve antiferromagnético por debajo de 178 K (-95 °C), luego ferromagnético por debajo de 85 K (-188 °C). Aunque estas temperaturas son muy bajas, el disprosio es crucial en aleaciones como el Terfenol-D (con terbio y hierro) que presentan propiedades magnetostrictivas gigantes a temperatura ambiente.
El disprosio se funde a 1412 °C (1685 K) y hierve a 2567 °C (2840 K). Como la mayoría de los lantánidos, presenta puntos de fusión y ebullición elevados. El disprosio presenta una transformación alotrópica a 1381 °C donde su estructura cristalina pasa de hexagonal compacta (HC) a cúbica centrada (CC). Su conductividad eléctrica es mediocre, aproximadamente 25 veces inferior a la del cobre. El disprosio también presenta una resistividad eléctrica que varía fuertemente con el campo magnético (magnetorresistencia).
El disprosio es relativamente estable al aire seco a temperatura ambiente, pero se oxida lentamente para formar óxido Dy₂O₃. Se oxida más rápidamente cuando se calienta y arde para formar el óxido: 4Dy + 3O₂ → 2Dy₂O₃. El disprosio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de disprosio(III) Dy(OH)₃ y desprender hidrógeno. Se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluidos. El metal debe conservarse bajo aceite mineral o en atmósfera inerte.
Punto de fusión del disprosio: 1685 K (1412 °C).
Punto de ebullición del disprosio: 2840 K (2567 °C).
Temperatura de Néel (transición antiferromagnética): 178 K (-95 °C).
Temperatura de Curie (transición ferromagnética): 85 K (-188 °C).
Estructura cristalina a temperatura ambiente: Hexagonal compacta (HC).
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Desintegración / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Disprosio-156 — \(\,^{156}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 90 | 155,924283 u | ≈ 0,06 % | Estable | Isótopo estable más ligero, muy raro en la naturaleza. |
| Disprosio-158 — \(\,^{158}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 92 | 157,924409 u | ≈ 0,10 % | Estable | Isótopo estable muy poco abundante. |
| Disprosio-160 — \(\,^{160}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 94 | 159,925197 u | ≈ 2,34 % | Estable | Isótopo estable significativo entre los isótopos naturales. |
| Disprosio-161 — \(\,^{161}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 95 | 160,926933 u | ≈ 18,91 % | Estable | Isótopo estable importante, uno de los más abundantes. |
| Disprosio-162 — \(\,^{162}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 96 | 161,926798 u | ≈ 25,51 % | Estable | Isótopo estable, entre los más abundantes en la mezcla natural. |
| Disprosio-163 — \(\,^{163}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 97 | 162,928731 u | ≈ 24,90 % | Estable | Isótopo estable mayor, con una abundancia similar al 162Dy. |
| Disprosio-164 — \(\,^{164}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 98 | 163,929175 u | ≈ 28,18 % | Estable | Isótopo estable más abundante en la naturaleza (~28%). |
N.B. :
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El disprosio tiene 66 electrones distribuidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica [Xe] 4f¹⁰ 6s² presenta diez electrones en la subcapa 4f. Esta configuración también puede escribirse como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(28) P(2), o de manera completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁰ 5s² 5p⁶ 6s².
Capa K (n=1): contiene 2 electrones en la subcapa 1s. Esta capa interna está completa y es muy estable.
Capa L (n=2): contiene 8 electrones distribuidos en 2s² 2p⁶. Esta capa está completa, formando una configuración de gas noble (neón).
Capa M (n=3): contiene 18 electrones distribuidos en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta capa completa contribuye al blindaje electrónico.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones distribuidos en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta capa forma una estructura estable.
Capa O (n=5): contiene 28 electrones distribuidos en 5s² 5p⁶ 4f¹⁰ 5d⁰. Los diez electrones 4f confieren al disprosio sus propiedades magnéticas excepcionales.
Capa P (n=6): contiene 2 electrones en la subcapa 6s². Estos electrones son los electrones de valencia externos del disprosio.
El disprosio tiene efectivamente 12 electrones de valencia: diez electrones 4f¹⁰ y dos electrones 6s². El disprosio presenta exclusivamente el estado de oxidación +3 en sus compuestos estables. En este estado, el disprosio pierde sus dos electrones 6s y un electrón 4f para formar el ion Dy³⁺ con la configuración electrónica [Xe] 4f⁹. Este ion tiene nueve electrones en la subcapa 4f y presenta un fuerte momento magnético (10,6 μB) debido a sus electrones no apareados.
A diferencia de algunos lantánidos como el europio o el iterbio, el disprosio no forma estados de oxidación +2 o +4 estables en condiciones normales. Algunos compuestos de disprosio(II) y (IV) han sido sintetizados en condiciones extremas pero son muy inestables y de interés solo en laboratorio. El estado +3 es, por lo tanto, el único significativo química y tecnológicamente.
La química del disprosio está dominada por el estado +3. El ion Dy³⁺ tiene un radio iónico de 105,2 pm (para una coordinación 8) y forma complejos generalmente de color amarillo pálido en solución acuosa. Sus propiedades magnéticas se explotan en materiales magnetocalóricos y vidrios de memoria magnética. Las sales de disprosio son paramagnéticas y presentan una luminiscencia débil en comparación con otros lantánidos como el europio o el terbio.
El disprosio metálico es relativamente estable al aire seco a temperatura ambiente, formando una fina capa protectora de óxido de Dy₂O₃. A alta temperatura (por encima de 200 °C), se oxida rápidamente y arde para formar el óxido: 4Dy + 3O₂ → 2Dy₂O₃. El óxido de disprosio(III) es un sólido blanco a amarillo pálido con una estructura cúbica tipo C-tierra rara (sesquióxido tipo C). En polvo fino, el disprosio es pirofórico y puede inflamarse espontáneamente al aire.
El disprosio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de disprosio(III) Dy(OH)₃ y desprender gas hidrógeno: 2Dy + 6H₂O → 2Dy(OH)₃ + 3H₂↑. El hidróxido precipita como un sólido blanco gelatinoso poco soluble. Como con otros lantánidos, la reacción no es violenta pero es observable a largo plazo.
El disprosio reacciona con todos los halógenos para formar los trihaluros correspondientes: 2Dy + 3F₂ → 2DyF₃ (fluoruro blanco); 2Dy + 3Cl₂ → 2DyCl₃ (cloruro amarillo pálido). El disprosio se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluidos (ácido clorhídrico, sulfúrico, nítrico) con desprendimiento de hidrógeno y formación de las sales correspondientes de Dy³⁺: 2Dy + 6HCl → 2DyCl₃ + 3H₂↑.
El disprosio reacciona con el hidrógeno a temperatura moderada (300-400 °C) para formar el hidruro DyH₂, luego DyH₃ a mayor temperatura. Con el azufre, forma el sulfuro Dy₂S₃. Reacciona con el nitrógeno a alta temperatura (>1000 °C) para formar el nitruro DyN, y con el carbono para formar el carburo DyC₂. El disprosio también forma numerosos complejos de coordinación con ligandos orgánicos, aunque esta química está menos desarrollada que para algunos otros lantánidos.
La propiedad más notable del disprosio es su fuerte momento magnético. El ion Dy³⁺ tiene el momento magnético teórico más alto de todos los iones de tierras raras (10,6 μB, magnetones de Bohr) debido a sus nueve electrones no apareados en la subcapa 4f. Aunque el disprosio metálico solo es ferromagnético a temperaturas muy bajas, este ion magnético potente es crucial cuando se incorpora en materiales como los imanes Nd-Fe-B o las aleaciones Terfenol-D. El disprosio mejora significativamente la coercitividad (resistencia a la desimantación) y la estabilidad térmica de estos materiales.
La aplicación más importante y estratégica del disprosio es su uso como aditivo en los imanes permanentes basados en neodimio-hierro-boro (Nd-Fe-B). Estos imanes, los más potentes disponibles comercialmente, pierden sus propiedades magnéticas (especialmente su coercitividad) a altas temperaturas (por encima de 100-150 °C). La adición de unos pocos porcentajes de disprosio (típicamente 2-10% en peso, reemplazando parcialmente al neodimio) aumenta considerablemente la temperatura máxima de funcionamiento, permitiendo su uso en aplicaciones críticas como motores de vehículos eléctricos y generadores de aerogeneradores.
El disprosio actúa sustituyendo al neodimio en la estructura cristalina tetragonal de tipo Nd₂Fe₁₄B. El ion Dy³⁺ tiene una mayor anisotropía magnética que el ion Nd³⁺, lo que aumenta la energía necesaria para invertir la imantación del material (coercitividad). Esta mejora es particularmente importante a altas temperaturas, donde la agitación térmica tiende a desalinear los momentos magnéticos. El disprosio se concentra preferentemente en los bordes de grano, donde inhibe la propagación de las paredes de dominios magnéticos, reforzando así la resistencia a la desimantación.
Los imanes Nd-Fe-B dopados con disprosio son indispensables para:
La creciente demanda de disprosio, junto con su producción limitada y geográficamente concentrada (China), lo convierte en una materia prima crítica. Investigaciones intensivas buscan reducir el contenido de disprosio en los imanes (por ejemplo, mediante optimización microestructural, como imanes de grano fino), desarrollar procesos de reciclaje eficientes y encontrar sustitutos parciales (como el terbio, también raro y caro) o alternativas tecnológicas (imanes sin tierras raras como las ferritas, o nuevos conceptos de motores eléctricos). Sin embargo, a corto y mediano plazo, el disprosio sigue siendo irremplazable para aplicaciones de alta temperatura.
El Terfenol-D es una aleación basada en terbio, disprosio y hierro con una composición aproximada de Tb0,3Dy0,7Fe₂. El disprosio, en combinación con el terbio, permite ajustar las propiedades magnéticas para obtener una magnetostricción gigante (cambio de dimensión bajo campo magnético) a temperatura ambiente, minimizando la anisotropía magnética. El disprosio también ayuda a reducir el costo del material en comparación con una aleación basada únicamente en terbio.
Las aplicaciones incluyen actuadores de precisión (sistemas de posicionamiento, inyectores), sensores (sensores de fuerza, hidrófonos), transductores ultrasónicos (imagen médica, limpieza industrial) y sistemas de control de vibraciones. Aunque el mercado del Terfenol-D es más pequeño que el de los imanes Nd-Fe-B, representa una aplicación de muy alto valor añadido donde las propiedades únicas de la aleación justifican su alto costo.
El disprosio tiene una sección transversal de absorción de neutrones térmicos relativamente alta (aproximadamente 940 barns para la mezcla isotópica natural). Algunos de sus isótopos, en particular el disprosio-164 (2700 barns) y el disprosio-161 (600 barns), tienen secciones transversales aún mayores. Esta propiedad permite el uso del disprosio (en forma de óxido Dy₂O₃ o metal) en las barras de control de reactores nucleares y en pantallas de protección contra neutrones.
Al igual que el gadolinio, el disprosio puede usarse como "veneno consumible" en el combustible nuclear para compensar el exceso de reactividad al inicio del ciclo. Al absorber neutrones, controla la reacción en cadena y se transmutan gradualmente en otros elementos. Sin embargo, su uso es menos común que el del gadolinio debido a su mayor costo.
El disprosio y sus compuestos presentan una toxicidad química baja a moderada, comparable a otros lantánidos. Las sales solubles pueden causar irritaciones. No se han demostrado efectos tóxicos agudos graves ni carcinogénicos. La DL50 (dosis letal mediana) del cloruro de disprosio en ratas es de aproximadamente 300-500 mg/kg por vía intravenosa. Como otros lantánidos, el disprosio no tiene un papel biológico conocido.
En caso de exposición, el disprosio se acumula principalmente en el hígado y los huesos, con una eliminación muy lenta (período biológico de varios años para la fracción ósea). La exposición de la población general es extremadamente baja, limitada a los trabajadores de las industrias relacionadas.
Los principales impactos ambientales están relacionados con la minería de tierras raras en general: producción de residuos, aguas ácidas, residuos radiactivos (torio, uranio en la monacita). La extracción de un kilogramo de disprosio requiere el procesamiento de varias toneladas de mineral.
El reciclaje del disprosio a partir de imanes permanentes usados es una prioridad estratégica por varias razones:
Las técnicas de reciclaje incluyen la hidrometalurgia (disolución ácida seguida de extracción por solventes) y la pirometalurgia (fusión al vacío). El mayor desafío es la recolección y clasificación de productos al final de su vida útil que contienen imanes. Se han implementado proyectos piloto y las primeras plantas de reciclaje a escala industrial, especialmente en Japón y Europa. La tasa de reciclaje actual sigue siendo baja (menos del 1%) pero debería aumentar rápidamente con las regulaciones y los incentivos económicos.
La exposición profesional ocurre en minas, plantas de separación, fabricantes de imanes y sitios de reciclaje. El polvo de compuestos de disprosio debe controlarse mediante ventilación y equipos de protección. No se asocia ninguna enfermedad profesional específica al disprosio, pero se aplican precauciones generales para el polvo metálico.
