El erbio 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 de nucleosíntesis estiman que aproximadamente el 70-80% del erbio solar proviene del proceso s, y el 20-30% del proceso r. Como lantánido con un número par de protones (68), es más abundante que sus vecinos impares (holmio-67 y tulio-69) según la regla de Oddo-Harkins.
La abundancia cósmica del erbio es de aproximadamente 2,5×10⁻¹² veces la del hidrógeno en número de átomos, lo que lo hace unas 5 veces más abundante que el holmio y similar en abundancia al disprosio. Entre las tierras raras pesadas, es relativamente más abundante debido a su número atómico par y a la estabilidad particular de algunos de sus isótopos. Esta abundancia relativa ha facilitado su uso tecnológico a gran escala.
El erbio es considerado uno de los mejores trazadores del proceso s entre las tierras raras pesadas debido a su fuerte preferencia por este proceso de nucleosíntesis. La relación erbio/europio (Er/Eu) es particularmente útil para estudiar la historia de la contribución de las estrellas AGB al enriquecimiento químico de la Galaxia. Las estrellas enriquecidas en elementos del proceso s muestran relaciones Er/Eu elevadas, mientras que las estrellas pobres en metales dominadas por el proceso r presentan relaciones más bajas.
El erbio ha sido detectado en muchas estrellas gracias a sus líneas espectrales relativamente accesibles, en particular las del ion Er II. Estas detecciones han permitido mapear la abundancia del erbio en diferentes poblaciones estelares de la Vía Láctea, proporcionando restricciones importantes sobre los modelos de nucleosíntesis galáctica. El estudio del erbio en estrellas extremadamente pobres en metales ayuda a comprender la producción de los primeros elementos pesados en el Universo.
El erbio toma su nombre del pueblo sueco de Ytterby, ubicado en la isla de Resarö cerca de Estocolmo, famoso por su cantera que proporcionó minerales que contienen varias tierras raras. Ytterby dio su nombre a cuatro elementos: itrio (Y), terbio (Tb), erbio (Er) e iterbio (Yb). El nombre "erbio" se formó por analogía con los otros elementos descubiertos en los minerales de esta localidad.
El erbio fue descubierto en 1843 por el químico sueco Carl Gustaf Mosander (1797-1858), quien trabajaba en el Instituto Karolinska de Estocolmo. Mosander estudiaba un mineral de itria (óxido de itrio) proveniente de Ytterby. Tras numerosas cristalizaciones fraccionadas, logró separar este óxido en tres compuestos distintos que llamó itria (blanca), erbia (rosa) y terbia (amarilla). La "erbia" que había aislado contenía principalmente óxido de erbio, aunque la purificación completa del elemento tomó varias décadas.
Como con el terbio, hubo confusión durante varios años respecto a los nombres "erbia" y "terbia". Algunos químicos invirtieron las denominaciones, atribuyendo el nombre "erbia" a lo que hoy llamamos terbia (óxido de terbio) y viceversa. No fue hasta finales del siglo XIX que la nomenclatura se estableció definitivamente según el descubrimiento original de Mosander. El aislamiento del metal erbio relativamente puro se realizó por primera vez en 1905 por los químicos franceses Georges Urbain y Charles James.
El erbio está presente en la corteza terrestre a una concentración media de aproximadamente 3,5 ppm (partes por millón), lo que lo hace más abundante que el holmio pero menos que el disprosio. Entre las tierras raras pesadas, es relativamente abundante. Los principales minerales que contienen erbio son la bastnasita ((Ce,La,Nd,Er)CO₃F) y la monacita ((Ce,La,Nd,Er,Th)PO₄), donde representa típicamente del 0,1 al 0,5% del contenido total de tierras raras, y la xenotima (YPO₄) donde puede estar más concentrado (hasta 4-5%).
La producción mundial de óxido de erbio (Er₂O₃) es de aproximadamente 50 a 100 toneladas por año, lo que es significativo pero sigue siendo bajo en comparación con las tierras raras ligeras. Debido a su importancia crítica para las telecomunicaciones, el erbio es una tierra rara estratégica, con precios típicos de 300 a 700 dólares por kilogramo de óxido. China domina ampliamente la producción con más del 85% del total mundial, seguida por Estados Unidos, Australia y Malasia.
El erbio metálico se produce principalmente mediante reducción metalotérmica del fluoruro de erbio (ErF₃) con calcio metálico en atmósfera inerte de argón. La producción anual mundial de erbio metálico es de aproximadamente 10 a 20 toneladas. El reciclaje del erbio a partir de fibras ópticas y otros desechos electrónicos es técnicamente posible pero económicamente difícil debido a las bajas concentraciones, aunque la investigación en este campo está activa.
El erbio (símbolo Er, número atómico 68) es el duodécimo elemento de la serie de los lantánidos, perteneciente a las tierras raras del bloque f de la tabla periódica. Su átomo tiene 68 protones, 98 neutrones (para el isótopo más abundante \(\,^{166}\mathrm{Er}\)) y 68 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f¹² 6s². Esta configuración confiere al erbio propiedades ópticas excepcionales.
El erbio es un metal plateado, maleable y relativamente blando. Presenta una estructura cristalina hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente. El erbio es paramagnético a temperatura ambiente y se vuelve antiferromagnético por debajo de 85 K (-188 °C), luego presenta una estructura magnética helicoidal por debajo de 52 K (-221 °C). A temperaturas muy bajas (inferiores a 20 K), se vuelve ferromagnético. Estas propiedades magnéticas complejas se estudian en física del estado sólido pero se explotan tecnológicamente menos que sus propiedades ópticas.
El erbio se funde a 1529 °C (1802 K) y hierve a 2868 °C (3141 K). Como la mayoría de los lantánidos, presenta puntos de fusión y ebullición elevados. El erbio experimenta una transformación alotrópica a 1495 °C donde su estructura cristalina pasa de hexagonal compacta (HC) a cúbica centrada (CC). Su conductividad eléctrica es mediocre, unas 25 veces inferior a la del cobre.
El erbio es relativamente estable al aire seco a temperatura ambiente, pero se oxida lentamente para formar un óxido Er₂O₃ de color rosa. Se oxida más rápidamente cuando se calienta y arde para formar el óxido: 4Er + 3O₂ → 2Er₂O₃. El erbio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de erbio(III) Er(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 erbio: 1802 K (1529 °C).
Punto de ebullición del erbio: 3141 K (2868 °C).
Temperatura de Néel (transición antiferromagnética): 85 K (-188 °C).
Temperatura de transición al orden helicoidal: 52 K (-221 °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 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Erbio-162 — \(\,^{162}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 94 | 161,928778 u | ≈ 0,14 % | Estable | Isótopo estable más ligero, muy raro en la naturaleza. |
| Erbio-164 — \(\,^{164}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 96 | 163,929200 u | ≈ 1,61 % | Estable | Isótopo estable presente en pequeña cantidad. |
| Erbio-166 — \(\,^{166}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 98 | 165,930293 u | ≈ 33,61 % | Estable | Isótopo estable más abundante en la naturaleza (aproximadamente un tercio del total). |
| Erbio-167 — \(\,^{167}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 99 | 166,932048 u | ≈ 22,93 % | Estable | Isótopo estable mayor, segundo en abundancia. |
| Erbio-168 — \(\,^{168}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 100 | 167,932370 u | ≈ 26,78 % | Estable | Isótopo estable importante, de abundancia similar al erbio-167. |
| Erbio-170 — \(\,^{170}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 102 | 169,935464 u | ≈ 14,93 % | Estable | Isótopo estable más pesado, representa aproximadamente el 15% de la mezcla natural. |
N.B. :
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El erbio tiene 68 electrones repartidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica [Xe] 4f¹² 6s² presenta doce electrones en la subcapa 4f. Esta configuración también puede escribirse como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(30) P(2), o de manera completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹² 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 repartidos en 2s² 2p⁶. Esta capa está completa, formando una configuración de gas noble (neón).
Capa M (n=3): contiene 18 electrones repartidos en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta capa completa contribuye al blindaje electrónico.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones repartidos en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta capa forma una estructura estable.
Capa O (n=5): contiene 30 electrones repartidos en 5s² 5p⁶ 4f¹² 5d⁰. Los doce electrones 4f confieren al erbio sus propiedades ópticas excepcionales.
Capa P (n=6): contiene 2 electrones en la subcapa 6s². Estos electrones son los electrones de valencia externos del erbio.
El erbio tiene efectivamente 14 electrones de valencia: doce electrones 4f¹² y dos electrones 6s². El erbio presenta exclusivamente el estado de oxidación +3 en sus compuestos estables. En este estado, el erbio pierde sus dos electrones 6s y un electrón 4f para formar el ion Er³⁺ con la configuración electrónica [Xe] 4f¹¹. Este ion tiene once electrones en la subcapa 4f y presenta transiciones electrónicas que son la base de sus principales aplicaciones ópticas.
A diferencia de algunos lantánidos como el europio o el iterbio, el erbio no forma estados de oxidación +2 o +4 estables en condiciones normales. Algunos compuestos de erbio(II) han sido sintetizados en condiciones extremas pero son muy inestables. El estado +3 es, por tanto, el único significativo química y tecnológicamente.
La química del erbio está dominada por el estado +3. El ion Er³⁺ tiene un radio iónico de 103,0 pm (para una coordinación 8) y forma complejos generalmente de color rosa pálido en solución acuosa, color característico de las sales de erbio. Sus propiedades ópticas excepcionales, en particular sus transiciones en el infrarrojo cercano, se explotan en fibras ópticas y láseres.
El erbio metálico es relativamente estable al aire seco a temperatura ambiente, formando una fina capa protectora de óxido de Er₂O₃. A temperaturas elevadas (por encima de 200 °C), se oxida rápidamente y arde para formar el óxido: 4Er + 3O₂ → 2Er₂O₃. El óxido de erbio(III) es un sólido de color rosa característico con una estructura cúbica de tipo C-tierra rara (sesquióxido tipo C). En polvo fino, el erbio es pirofórico y puede inflamarse espontáneamente al aire.
El erbio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de erbio(III) Er(OH)₃ y desprender gas hidrógeno: 2Er + 6H₂O → 2Er(OH)₃ + 3H₂↑. El hidróxido precipita como un sólido gelatinoso de color rosa pálido poco soluble. Como con otros lantánidos, la reacción no es violenta pero es observable a largo plazo.
El erbio reacciona con todos los halógenos para formar los trihalogenuros correspondientes: 2Er + 3F₂ → 2ErF₃ (fluoruro rosa); 2Er + 3Cl₂ → 2ErCl₃ (cloruro violeta). El erbio se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluidos (ácido clorhídrico, sulfúrico, nítrico) con desprendimiento de hidrógeno y formación de las sales correspondientes de Er³⁺: 2Er + 6HCl → 2ErCl₃ + 3H₂↑.
El erbio reacciona con el hidrógeno a temperaturas moderadas (300-400 °C) para formar el hidruro ErH₂, luego ErH₃ a temperaturas más altas. Con el azufre, forma el sulfuro Er₂S₃. Reacciona con el nitrógeno a alta temperatura (>1000 °C) para formar el nitruro ErN, y con el carbono para formar el carburo ErC₂. El erbio también forma complejos de coordinación con ligandos orgánicos, aunque esta química está menos desarrollada que sus aplicaciones ópticas.
La propiedad más importante del erbio es su comportamiento óptico excepcional. El ion Er³⁺ posee transiciones electrónicas que le permiten emitir luz en el infrarrojo cercano, en particular a la longitud de onda de 1,55 micrómetros (1550 nm). Esta longitud de onda es crucial porque corresponde a la ventana de transmisión mínima de las fibras ópticas de sílice, donde la atenuación es menor (aproximadamente 0,2 dB/km). Esta coincidencia afortunada hace del erbio el elemento ideal para amplificar las señales ópticas en las redes de telecomunicaciones globales.
La invención de los amplificadores de fibra óptica dopada con erbio (EDFA) en los años 80 revolucionó las comunicaciones globales. Antes de los EDFA, las señales ópticas en las fibras debían regenerarse electrónicamente cada 50-100 km (detección, conversión a señal eléctrica, amplificación electrónica, luego reconversión a señal óptica). Los EDFA permiten amplificar directamente la señal óptica sin conversión electrónica, reduciendo considerablemente los costos, la complejidad y aumentando la capacidad de las redes.
En un EDFA, una fibra óptica de sílice está dopada con iones Er³⁺ (típicamente unas pocas cientos de partes por millón). Esta fibra es "bombeada" ópticamente por diodos láser a 980 nm o 1480 nm. Los iones Er³⁺ absorben esta luz de bombeo y son excitados a un nivel de energía superior. Cuando las señales ópticas de comunicación a 1550 nm pasan a través de la fibra, estimulan a los iones excitados a emitir fotones adicionales a la misma longitud de onda, amplificando así la señal. Este proceso es una emisión estimulada, el mismo principio que en un láser.
- Longitud de onda: Amplificación óptima alrededor de 1550 nm, correspondiente a la ventana de transmisión mínima de las fibras.
- Ancho de banda: Aproximadamente 30-40 nm, permitiendo la amplificación simultánea de muchos canales (WDM: Multiplexación por División de Longitud de Onda).
- Ganancia: Típicamente 20-30 dB (factor de amplificación de 100 a 1000).
- Figura de ruido: Baja (4-5 dB), esencial para transmisiones de larga distancia.
- Potencia de salida: Hasta varios vatios para amplificadores de potencia.
- Longitud de fibra dopada: Generalmente 10-30 metros.
Los EDFA han permitido el desarrollo de redes de fibra óptica submarinas transoceánicas, redes terrestres de larga distancia, y han multiplicado la capacidad de las redes gracias a la multiplexación por división de longitud de onda (WDM). Sin el erbio, el internet de alta velocidad global, la telefonía internacional por fibra, y muchos servicios en la nube modernos serían imposibles o extremadamente costosos. Un amplificador EDFA típico contiene unos pocos miligramos a unos pocos gramos de erbio.
El láser Er:YAG emite a una longitud de onda de 2,94 µm, que es muy fuertemente absorbida por el agua (aproximadamente 10.000 veces más que a 1,06 µm, la longitud de onda del láser Nd:YAG). Esta propiedad lo hace ideal para aplicaciones médicas y dentales donde se requiere una ablación precisa de tejidos hidratados con un mínimo de daño térmico a los tejidos circundantes.
Los láseres Er:vidrio emiten generalmente alrededor de 1,54 µm o 1,55 µm. Se utilizan para:
Estos láseres utilizan una fibra óptica dopada con erbio como medio amplificador. Son compactos, eficientes y producen una excelente calidad de haz. Aplicaciones:
El erbio posee una sección transversal de absorción de neutrones térmicos moderada (aproximadamente 166 barns para el isótopo Er-167, el más efectivo). Esta propiedad permite el uso del erbio en las barras de control de los reactores nucleares, aunque su uso es menos común que el de otros materiales como el boro, el cadmio o el gadolinio. El erbio a veces se utiliza en combustibles nucleares experimentales como veneno consumible para controlar la reactividad.
El óxido de erbio (Er₂O₃) se estudia como recubrimiento protector para componentes de reactores nucleares debido a su estabilidad bajo irradiación y su buena conductividad térmica. Estos recubrimientos podrían mejorar la seguridad y la vida útil de los combustibles nucleares.
Los iones Er³⁺ confieren un color rosa característico a los vidrios y cerámicas. Esta propiedad se explota para:
Algunos materiales dopados con erbio (a menudo en combinación con iterbio) pueden convertir dos fotones infrarrojos de baja energía en un fotón visible de mayor energía (fenómeno de conversión ascendente). Aplicaciones:
Se están llevando a cabo investigaciones para utilizar el erbio en células solares para aumentar su eficiencia. La idea es convertir los fotones de alta energía (UV, azul) en varios fotones de menor energía (en el rango de absorción óptima del silicio) mediante un proceso de conversión cuántica.
El erbio y sus compuestos presentan una baja toxicidad química, comparable a la de otros lantánidos. Las sales solubles pueden causar irritaciones cutáneas, oculares y respiratorias. No se han demostrado efectos de toxicidad aguda grave ni efectos cancerígenos. La DL50 (dosis letal media) de las sales de erbio en animales es similar a la de otros lantánidos (típicamente >500 mg/kg). El erbio no tiene un papel biológico conocido.
Como otros lantánidos, el erbio se acumula preferentemente en el hígado y los huesos en caso de exposición, con una eliminación muy lenta. La exposición de la población general es extremadamente baja, principalmente limitada a los trabajadores de las industrias pertinentes.
Los impactos ambientales están relacionados con la minería de tierras raras en general. La extracción de un kilogramo de erbio requiere el procesamiento de varias toneladas de mineral, generando residuos y significativos impactos ambientales. Sin embargo, la cantidad total de erbio utilizada en el mundo es relativamente pequeña (unas pocas decenas de toneladas por año) en comparación con otros metales.
El reciclaje del erbio a partir de fibras ópticas usadas es técnicamente posible pero económicamente difícil debido a la baja concentración de erbio en las fibras (típicamente unas pocas cientos de ppm) y a la dificultad de separar el erbio de la sílice. Sin embargo, con el aumento de los volúmenes de residuos de fibras ópticas y los avances en las técnicas de reciclaje, esta vía podría volverse más interesante en el futuro.
El erbio está clasificado como una materia prima crítica por varios países y regiones (Estados Unidos, Unión Europea) debido a su importancia para las infraestructuras críticas (telecomunicaciones) y a la concentración geográfica de su producción (China). Se están realizando esfuerzos para diversificar el suministro, mejorar la eficiencia de uso (reducir la cantidad de erbio necesaria por EDFA) y desarrollar tecnologías alternativas.
La exposición profesional ocurre en las fábricas de producción de tierras raras, de fabricación de fibras ópticas, de cristales láser, y en las instalaciones de telecomunicaciones. Se aplican precauciones estándar para el polvo metálico. En aplicaciones médicas (láseres), se aplican precauciones estándar para láseres de clase 4.
El átomo en todas sus formas: de la intuición antigua a la mecánica cuántica 
