El europio se sintetiza en las estrellas casi exclusivamente por el proceso r (captura rápida de neutrones) durante eventos cataclísmicos como supernovas y fusiones de estrellas de neutrones. A diferencia de la mayoría de los lantánidos ligeros, que presentan contribuciones significativas del proceso s, el europio está dominado en aproximadamente un 95% por el proceso r, lo que lo convierte en uno de los trazadores más puros de este proceso de nucleosíntesis explosiva.
La abundancia cósmica del europio es de aproximadamente 9,7×10⁻¹³ veces la del hidrógeno en número de átomos, lo que lo hace unas 1000 veces menos abundante que el cerio y uno de los lantánidos más raros del universo. Esta extrema rareza se explica por su producción casi exclusiva en eventos violentos de tipo r, mucho menos frecuentes que los procesos s en las estrellas AGB. El europio es el elemento firma por excelencia del proceso r.
La relación europio/hierro (Eu/Fe) en las estrellas es un indicador crítico de la historia del enriquecimiento químico galáctico. Las estrellas antiguas pobres en metales muestran relaciones Eu/Fe elevadas, lo que indica que las primeras generaciones de supernovas masivas enriquecieron rápidamente la Galaxia con elementos del proceso r como el europio. Las estrellas más jóvenes muestran relaciones Eu/Fe más bajas, reflejando la creciente contribución de las supernovas de tipo Ia (que no producen europio) y la evolución química progresiva de la Galaxia.
La observación espectroscópica de la kilonova GW170817 (fusión de dos estrellas de neutrones detectada en 2017) reveló firmas compatibles con la síntesis masiva de elementos pesados, incluyendo el europio. Los modelos teóricos sugieren que este evento único produjo varias masas terrestres de europio, confirmando que las fusiones de estrellas de neutrones son sitios mayores de producción de elementos del proceso r. Estas observaciones revolucionaron nuestra comprensión del origen cósmico de las tierras raras pesadas.
El europio toma su nombre del continente europeo, siguiendo la tradición de nombrar los elementos a partir de lugares geográficos. El nombre fue elegido por su descubridor para honrar a Europa, continente natal de muchos pioneros de la química de las tierras raras. El europio es uno de los pocos elementos nombrados a partir de un continente en lugar de una persona, un lugar específico o una propiedad química.
El europio fue descubierto en 1896 por el químico francés Eugène-Anatole Demarçay (1852-1903) en París. Demarçay detectó líneas espectrales inusuales en muestras concentradas de samario, sugiriendo la presencia de un nuevo elemento. Utilizando la espectroscopia, técnica en la que destacaba a pesar de una ceguera parcial tras una explosión en el laboratorio, Demarçay aisló gradualmente el nuevo elemento mediante cristalizaciones fraccionadas repetidas del nitrato de samario contaminado.
En 1901, tras cinco años de trabajo meticuloso, Demarçay obtuvo muestras de europio lo suficientemente puras como para permitir una caracterización completa. Determinó las propiedades espectrales distintivas del europio y demostró que se trataba de un elemento nuevo y no de una impureza conocida. El descubrimiento de Demarçay fue rápidamente confirmado por otros químicos europeos. El aislamiento del europio metálico puro no se logró hasta 1937 mediante reducción electrolítica.
El europio está presente en la corteza terrestre a una concentración media de aproximadamente 2 ppm, lo que lo convierte en el 51º elemento más abundante, comparable al azufre. Es la tierra rara menos abundante entre los lantánidos ligeros, reflejando su producción astrofísica limitada al proceso r. Los principales minerales que contienen europio son la bastnasita ((Ce,La,Nd,Eu)CO₃F), donde el europio representa aproximadamente el 0,1-0,2% del contenido de tierras raras, y la monacita ((Ce,La,Nd,Eu,Th)PO₄), donde representa el 0,05-0,1%.
La producción mundial de óxidos de europio es de aproximadamente 400 a 600 toneladas por año, lo que lo convierte en una de las tierras raras menos producidas. China domina con aproximadamente el 85-90% de la producción mundial, seguida por Estados Unidos y Australia. Debido a su rareza relativa y sus aplicaciones especializadas de alto valor añadido, el europio es una de las tierras raras más caras, con precios típicos de 200-500 dólares por kilogramo de óxido según la pureza y las condiciones del mercado.
El europio metálico se produce principalmente mediante la reducción del óxido de europio (Eu₂O₃) con lantano metálico a alta temperatura en atmósfera inerte, o por electrólisis de cloruro de europio fundido. La producción anual mundial de europio metálico es de aproximadamente 100-150 toneladas. El reciclaje del europio procedente de lámparas fluorescentes y pantallas usadas representa aproximadamente el 1-2% de la oferta total, aunque las tasas de reciclaje mejoran gradualmente con las tecnologías avanzadas de separación y los incentivos económicos vinculados a los altos precios.
El europio (símbolo Eu, número atómico 63) es el séptimo elemento de la serie de los lantánidos, perteneciente a las tierras raras del bloque f de la tabla periódica. Su átomo tiene 63 protones, generalmente 90 neutrones (para el isótopo más abundante \(\,^{153}\mathrm{Eu}\)) y 63 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f⁷ 6s².
El europio es el lantánido más reactivo y presenta propiedades físicas notablemente atípicas. Es el metal de tierra rara más blando, dúctil y maleable, pudiendo cortarse fácilmente con un cuchillo como el sodio. El europio tiene la densidad más baja de todos los lantánidos (5,24 g/cm³), incluso inferior a la del hierro. Cristaliza en una estructura cúbica centrada en el cuerpo (CC) a temperatura ambiente, a diferencia de la mayoría de los lantánidos que adoptan estructuras hexagonales compactas.
El europio se funde a 822 °C (1095 K) y hierve a 1529 °C (1802 K), presentando los puntos de fusión y ebullición más bajos de todos los lantánidos. Esta volatilidad relativa facilita paradójicamente su purificación por destilación al vacío. El europio es un mal conductor eléctrico, con una conductividad unas 50 veces inferior a la del cobre. El europio es paramagnético a temperatura ambiente y presenta propiedades magnéticas complejas a baja temperatura.
El europio es extraordinariamente reactivo, oxidándose rápidamente en el aire para formar una capa de óxido amarillo-verde que no protege al metal. El europio metálico debe conservarse bajo aceite mineral o en atmósfera inerte de argón. Se inflama espontáneamente en el aire cuando está finamente dividido y reacciona vigorosamente con el agua incluso a temperatura ambiente. El europio arde fácilmente en el aire con una llama roja-naranja brillante característica.
Punto de fusión del europio: 1095 K (822 °C).
Punto de ebullición del europio: 1802 K (1529 °C).
El europio es el lantánido más reactivo, oxidándose rápidamente en el aire y reaccionando vigorosamente con el agua.
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Desintegración / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Europio-151 — \(\,^{151}\mathrm{Eu}\,\) | 63 | 88 | 150,919850 u | ≈ 47,81 % | Estable | Isótopo estable minoritario del europio, que representa aproximadamente el 48% del total natural. |
| Europio-153 — \(\,^{153}\mathrm{Eu}\,\) | 63 | 90 | 152,921230 u | ≈ 52,19 % | Estable | Isótopo estable mayoritario del europio, que representa aproximadamente el 52% del total natural. |
| Europio-152 — \(\,^{152}\mathrm{Eu}\,\) | 63 | 89 | 151,921745 u | Sintético | ≈ 13,54 años | Radiactivo (CE, β⁻, β⁺). Emisor gamma intenso, utilizado en la calibración de detectores de radiación. |
| Europio-154 — \(\,^{154}\mathrm{Eu}\,\) | 63 | 91 | 153,922979 u | Sintético | ≈ 8,59 años | Radiactivo (β⁻). Emisor gamma, producto de activación en reactores nucleares. |
| Europio-155 — \(\,^{155}\mathrm{Eu}\,\) | 63 | 92 | 154,922893 u | Sintético | ≈ 4,76 años | Radiactivo (β⁻). Producto de fisión significativo, utilizado en investigación nuclear. |
N.B. :
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El europio tiene 63 electrones repartidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica [Xe] 4f⁷ 6s² es particularmente estable debido a la subcapa 4f semi-llena (7 electrones de 14 posibles), lo que confiere una estabilidad adicional según la regla de Hund. Esta configuración también puede escribirse como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(25) P(2), o de manera completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁷ 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 también 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 y completa.
Capa O (n=5): contiene 25 electrones repartidos en 5s² 5p⁶ 4f⁷ 5d⁰. Los siete electrones 4f semi-llenos caracterizan la química del europio.
Capa P (n=6): contiene 2 electrones en la subcapa 6s². Estos electrones son los electrones de valencia externos del europio.
El europio tiene efectivamente 9 electrones de valencia: siete electrones 4f⁷ y dos electrones 6s². El europio presenta dos estados de oxidación estables: +2 y +3. El estado +3 es el más común, donde el europio pierde sus dos electrones 6s y un electrón 4f para formar el ion Eu³⁺ con la configuración [Xe] 4f⁶. Este ion es responsable de la luminiscencia roja intensa que hace famoso al europio.
El estado +2 es inusual entre los lantánidos pero particularmente estable para el europio debido a la configuración 4f⁷ semi-llena del ion Eu²⁺ (configuración [Xe] 4f⁷). Esta estabilidad excepcional permite la existencia de numerosos compuestos de europio(II): EuO (óxido), EuCl₂ (cloruro), EuSO₄ (sulfato) y diversos haluros. El europio(II) también presenta propiedades luminiscentes, emitiendo típicamente en el azul-verde.
La facilidad con la que el europio oscila entre los estados +2 y +3 lo convierte en un excelente indicador redox. En solución acuosa, el europio(II) es un reductor moderadamente potente y se oxida gradualmente a europio(III) en presencia de oxígeno. Esta rica química redox distingue al europio de otros lantánidos ligeros y lo acerca a los metales alcalinotérreos como el bario y el estroncio en ciertos aspectos de su química.
El europio es extremadamente reactivo con el oxígeno y se oxida rápidamente en el aire, formando una capa de óxido Eu₂O₃ (óxido de europio(III)) de color amarillo-verde que se agrieta y descama continuamente, sin ofrecer ninguna protección al metal subyacente. El europio finamente dividido se inflama espontáneamente en el aire y reacciona vigorosamente con el agua incluso a temperatura ambiente. El europio arde fácilmente en el aire con una llama roja-naranja brillante característica: 4Eu + 3O₂ → 2Eu₂O₃. El polvo fino de europio es pirofórico y debe manipularse en atmósfera inerte.
El europio reacciona vigorosamente con el agua a temperatura ambiente, produciendo hidróxido de europio(III) y desprendiendo gas hidrógeno con efervescencia visible: 2Eu + 6H₂O → 2Eu(OH)₃ + 3H₂↑. Esta reacción es exotérmica y se acelera rápidamente; el hidrógeno liberado puede inflamarse espontáneamente con muestras de tamaño suficiente. El hidróxido de europio(III) precipita como un sólido gelatinoso blanco-rosado. La reacción del europio con el agua es una de las más vigorosas de todos los lantánidos.
El europio reacciona vigorosamente con todos los halógenos para formar trihaluros: 2Eu + 3Cl₂ → 2EuCl₃. Los dihaluros de europio(II) pueden prepararse reduciendo los trihaluros con europio metálico: Eu + 2EuCl₃ → 3EuCl₂. El europio se disuelve rápidamente en ácidos, incluso diluidos, con un vigoroso desprendimiento de hidrógeno: 2Eu + 6HCl → 2EuCl₃ + 3H₂↑, produciendo soluciones amarillas pálidas de Eu³⁺.
El europio reacciona con el hidrógeno a temperatura moderada para formar el hidruro EuH₂, con el azufre para formar el sulfuro EuS (un semiconductor magnético interesante), con el nitrógeno a alta temperatura para formar el nitruro EuN, y con el carbono para formar los carburos EuC₂ y Eu₂C₃. El europio también forma numerosos complejos organometálicos y de coordinación, explotados en catálisis y síntesis química.
La propiedad más notable del europio es su intensa luminiscencia. El ion Eu³⁺ es uno de los iones lantánidos más luminiscentes, emitiendo luz roja pura alrededor de 610-630 nm (transición ⁵D₀ → ⁷F₂) cuando es excitado por UV o rayos catódicos. Esta emisión roja intensa con un alto rendimiento cuántico (hasta el 90% en matrices optimizadas) hace del europio el fósforo rojo estándar para todas las aplicaciones de visualización e iluminación. El ion Eu²⁺ emite en el azul-verde (450-550 nm) con una eficiencia notable.
La aplicación que hizo famoso al europio fue su uso como fósforo rojo en las pantallas de tubos de rayos catódicos (CRT) de televisores y monitores de ordenador desde 1960 hasta 2000. El fósforo Y₂O₃:Eu³⁺ (óxido de itrio dopado con europio al 5-10%) producía una emisión roja pura a 611 nm con una eficiencia excepcional cuando era bombardeado por electrones. Combinado con fósforos verdes (ZnS:Cu,Al) y azules (ZnS:Ag), permitía la reproducción completa del espectro de color. Un televisor CRT típico contenía 0,5-2 gramos de europio en su recubrimiento fosforescente.
Con el declive de las pantallas CRT a principios de los años 2000, el europio encontró nuevas aplicaciones en las pantallas LCD modernas. Las retroiluminaciones LED blancas de las pantallas LCD utilizan fósforos de europio para convertir parte de la luz azul de la LED en luz roja, creando una luz blanca equilibrada. Los fósforos típicos incluyen (Sr,Ca)AlSiN₃:Eu²⁺ (nitridosilicato que emite en rojo-naranja) o CaAlSiN₃:Eu²⁺. Esta aplicación representa hoy el 50-60% de la demanda mundial de europio.
Los fósforos de europio son cruciales para obtener una amplia gama de colores (gamut) en las pantallas modernas. Sin europio, las pantallas LCD presentarían una reproducción deficiente de los colores rojos, afectando particularmente a los tonos de piel y las imágenes saturadas. Las pantallas "quantum dot" recientes también utilizan fósforos que contienen europio para mejorar aún más la calidad del color. La pureza espectral excepcional de la emisión de Eu³⁺ (ancho de línea de 5-10 nm) permite colores vivos y saturados imposibles de obtener con otros fósforos.
El europio desempeña un papel esencial en las lámparas fluorescentes de bajo consumo y los tubos fluorescentes "tri-fósforo" que producen luz blanca de alta calidad. Estas lámparas utilizan una mezcla de tres fósforos: azul (BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺), verde (LaPO₄:Ce³⁺,Tb³⁺) y rojo (Y₂O₃:Eu³⁺). El fósforo rojo de europio es absolutamente indispensable para obtener un índice de reproducción cromática (IRC) elevado superior a 80-85, esencial para la iluminación residencial y comercial de calidad.
Las lámparas tri-fósforo que contienen europio convierten la emisión UV del mercurio (254 nm) en luz visible con una eficiencia del 25-30%, es decir, 3-4 veces superior a las lámparas halógenas incandescentes. Una lámpara fluorescente compacta típica de 20W contiene aproximadamente 10-20 miligramos de europio. La temperatura de color puede ajustarse de "blanco cálido" (2700K) a "blanco frío" (6500K) variando las proporciones relativas de los tres fósforos.
El uso del europio en lámparas fluorescentes alcanzó su punto máximo alrededor de 2005-2010 y luego disminuyó gradualmente con la adopción masiva de los LED. Los LED blancos modernos también utilizan fósforos de europio, pero en cantidades más pequeñas (1-5 mg por LED) porque son más eficientes. Esta transición causó un exceso temporal de europio en el mercado mundial entre 2010 y 2015, seguido de un reequilibrio con el crecimiento de las pantallas LCD y LED.
El europio se utiliza ampliamente en tintas y pigmentos luminiscentes para la seguridad de billetes, pasaportes, tarjetas de identidad y documentos oficiales. Los complejos organometálicos de europio incorporados en las tintas presentan una luminiscencia roja intensa bajo iluminación UV (365 nm o 254 nm), permitiendo una verificación rápida de la autenticidad. El euro, el dólar estadounidense, el yen japonés y la mayoría de las divisas importantes utilizan marcadores de europio.
Las aplicaciones de seguridad modernas utilizan mezclas sofisticadas de complejos de europio con diferentes tiempos de luminiscencia persistente (de microsegundos a segundos), diferentes longitudes de onda de emisión y diferentes respuestas espectrales. Estas firmas espectrales complejas son extremadamente difíciles de reproducir para los falsificadores. Algunos billetes utilizan "fósforos convertidores" donde el europio emite a una longitud de onda diferente a la de excitación, creando un cambio de color visible.
Más allá de los billetes, el europio se utiliza para marcar productos farmacéuticos auténticos, piezas de automóvil originales, obras de arte, tarjetas de crédito, entradas para eventos y diversos productos de lujo. Las nanopartículas dopadas con europio permiten un marcado a escala micrométrica invisible a simple vista pero detectable por fluorescencia. Los complejos de europio también se utilizan como trazadores en hidrología para estudiar los flujos subterráneos e identificar fuentes de contaminación.
Los isótopos Eu-151 y Eu-153 poseen secciones eficaces de absorción de neutrones térmicos excepcionalmente altas (9200 barns y 312 barns respectivamente), lo que hace del europio un excelente absorbente de neutrones para los reactores nucleares. El óxido de europio (Eu₂O₃) se incorpora en algunas barras de control y placas de regulación para controlar la reactividad de los reactores. El europio es particularmente útil en los reactores de investigación que requieren un control preciso de la reactividad.
El europio se utiliza como "veneno consumible" en algunos combustibles nucleares para compensar el exceso de reactividad al inicio del ciclo. A medida que el Eu-151 absorbe neutrones, se transforma en Eu-152 y luego en Eu-153, manteniendo automáticamente la reactividad dentro de límites seguros durante el consumo progresivo del combustible. Esta propiedad autorreguladora mejora la seguridad y permite ciclos de combustible más largos sin intervención.
El europio y sus compuestos estables presentan una baja toxicidad química, similar a la de otros lantánidos ligeros. Los compuestos solubles de europio pueden causar irritaciones cutáneas, oculares y de las vías respiratorias en caso de exposición directa. La inhalación de polvo de europio puede provocar una irritación pulmonar transitoria. Los estudios toxicológicos muestran una toxicidad aguda moderada, con DL50 (dosis letal media) para las sales de europio típicamente superiores a 500-1000 mg/kg en roedores.
El europio ingerido o inhalado se acumula principalmente en el hígado, el bazo y el esqueleto óseo. El período biológico se estima en 3-5 años para el europio óseo y 1-2 años para los tejidos blandos. A dosis altas, el europio puede alterar el metabolismo del calcio y causar una toxicidad hepática moderada. Sin embargo, la exposición humana significativa al europio sigue siendo rara, limitada a los trabajadores de la industria de las tierras raras y de la fabricación de fósforos. No se ha demostrado ningún efecto cancerígeno, mutagénico o teratogénico para el europio estable.
Los isótopos radiactivos del europio (Eu-152, Eu-154, Eu-155) producidos por activación neutrónica en los reactores nucleares presentan un riesgo radiológico significativo debido a sus intensas emisiones gamma. El Eu-152 es particularmente preocupante ya que emite rayos gamma de múltiples energías que requieren un blindaje adecuado. Los trabajadores que manipulan estos isótopos deben utilizar protección contra las radiaciones y respetar los límites de exposición reglamentarios. El período radiactivo relativamente largo del Eu-152 (13,5 años) requiere un almacenamiento prolongado de los residuos contaminados.
Las preocupaciones ambientales asociadas al europio se refieren principalmente a la minería de tierras raras. Dado que el europio es particularmente raro en los minerales (0,05-0,2%), la extracción de un kilogramo de europio requiere el procesamiento de varias toneladas de mineral, generando importantes volúmenes de residuos ácidos, lodos contaminados y vertidos líquidos. Los sitios mineros de tierras raras pueden contaminar suelos y aguas con elementos radiactivos (torio, uranio) presentes de forma natural en los minerales de monacita.
El reciclaje del europio procedente de lámparas fluorescentes y pantallas usadas es técnicamente factible y económicamente atractivo debido a los altos precios del europio. Los procesos de reciclaje implican la trituración de los tubos fluorescentes, la separación de los fósforos, la disolución ácida y la extracción selectiva del europio por cromatografía o extracción con disolventes. Las tasas de reciclaje actuales son de aproximadamente el 1-2%, pero mejoran gradualmente con las regulaciones sobre residuos electrónicos y los incentivos económicos.
El reciclaje de una tonelada de lámparas fluorescentes puede recuperar aproximadamente 100-200 gramos de europio, lo que representa un valor de 20-100 dólares según los precios del mercado. Los desafíos incluyen la recolección eficiente de lámparas usadas, la separación de fósforos mezclados y la purificación a niveles aceptables para su reutilización. La mejora de las infraestructuras de reciclaje del europio es crucial para reducir la dependencia de los suministros primarios concentrados en China y mitigar los impactos ambientales de la minería.
La exposición profesional al europio se produce principalmente en las industrias de refinación de tierras raras, fabricación de fósforos y reciclaje de lámparas fluorescentes. Las normas de exposición profesional para los compuestos de europio no están específicamente establecidas en la mayoría de las jurisdicciones, pero las recomendaciones generales para los compuestos solubles de tierras raras suelen fijar límites de exposición en 5-10 mg/m³ para el polvo respirable. Las concentraciones de europio en entornos industriales pueden alcanzar varios miligramos por metro cúbico de aire, requiriendo una ventilación adecuada y equipos de protección respiratoria.
