Эрбий - Erbium

Эрбий, ₆₈ Er
Эрбий
Произношение	/ Ɜːr б я ə м / ( UR -bee-əm )
Появление	серебристо-белый
Стандартный атомный вес A r, std (Er)	167,259 (3)
Эрбий в периодической таблице
	гольмий ← эрбий → тулий
Атомный номер ( Z )	68
Группа	группа н / д
Период	период 6
Блокировать	f-блок
Электронная конфигурация	[ Xe ] 4f 12 6s 2
Электронов на оболочку	2, 8, 18, 30, 8, 2
Физические свойства
Фаза на СТП	твердый
Температура плавления	1802 К (1529 ° С, 2784 ° F)
Точка кипения	3141 К (2868 ° С, 5194 ° F)
Плотность (около rt )	9,066 г / см 3
в жидком состоянии (при т. пл. )	8,86 г / см 3
Теплота плавления	19,90 кДж / моль
Теплота испарения	280 кДж / моль
Молярная теплоемкость	28,12 Дж / (моль · К)
Атомные свойства
Состояния окисления	0, +1, +2, +3 ( основной оксид)
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 1,24
Энергии ионизации
Радиус атома	эмпирический: 176 пм
Ковалентный радиус	189 ± 18 часов
	Спектральные линии эрбия
Прочие свойства
Естественное явление	изначальный
Кристальная структура	гексагональный плотноупакованный (hcp)
Скорость звука тонкого стержня	2830 м / с (при 20 ° C)
Термическое расширение	поли: 12,2 мкм / (m⋅K) ( RT )
Теплопроводность	14,5 Вт / (м⋅K)
Удельное электрическое сопротивление	поли: 0,860 μΩ⋅m ( к.т. )
Магнитный заказ	парамагнитный при 300 К
Молярная магнитная восприимчивость	+44 300 .00 × 10 −6 см 3 / моль
Модуль для младших	69,9 ГПа
Модуль сдвига	28,3 ГПа
Объемный модуль	44,4 ГПа
коэффициент Пуассона	0,237
Твердость по Виккерсу	430–700 МПа
Твердость по Бринеллю	600–1070 МПа
Количество CAS	7440-52-0
История
Именование	после Иттерби (Швеция), где добывался
Открытие	Карл Густав Мосандер (1843)
Основные изотопы эрбия
	Категория: Эрбий; Посмотреть; говорить; редактировать; \| Рекомендации

Эрбий - это химический элемент с символом Er и атомным номером 68. Серебристо-белый твердый металл, искусственно выделенный, природный эрбий всегда находится в химическом сочетании с другими элементами. Это лантаноид , редкоземельный элемент , первоначально обнаруженный в гадолинитовой шахте в Иттерби , Швеция , откуда и произошло название элемента.

Основное применение эрбия - это ионы Er ³⁺ розового цвета , которые обладают оптическими флуоресцентными свойствами, особенно полезными в некоторых лазерных приложениях. Стекла или кристаллы, легированные эрбием, могут использоваться в качестве оптических усиливающих сред, где ионы Er ³⁺ оптически накачиваются при температуре около 980 или1480 нм, а затем излучать свет на1530 нм в стимулированном излучении. Результатом этого процесса является необычно простой в механическом отношении лазерный оптический усилитель для сигналов, передаваемых по волоконной оптике. ВДлина волны 1550 нм особенно важна для оптической связи, поскольку стандартные одномодовые оптические волокна имеют минимальные потери на этой длине волны.

Помимо оптоволоконных лазеров-усилителей, во многих областях медицины (например, дерматология, стоматология) используются ионы эрбия. Излучение 2940 нм (см. Er: YAG-лазер ) при освещении на другой длине волны, которая сильно поглощается водой в тканях, что делает его эффект очень поверхностным. Такое поверхностное отложение лазерной энергии на ткани полезно в лазерной хирургии и для эффективного производства пара, который вызывает абляцию эмали с помощью обычных типов стоматологического лазера .

Характеристики

Физические свойства

Хлорид эрбия (III) на солнечном свете, демонстрирующий некоторую розовую флуоресценцию Er ⁺³ от естественного ультрафиолета.

Трехвалентный элемент, чистый эрбия металла податлива (или легко форме), мягкий пока стабилен в воздухе, и не окисляются так же быстро , как и некоторые другие редкоземельные металлы . Его соли розового цвета, а элемент имеет характерные резкие полосы спектра поглощения в видимом свете , ультрафиолете и ближнем инфракрасном диапазоне . В остальном он очень похож на другие редкоземельные элементы. Его полуторный оксид называется эрбия . Свойства эрбия в определенной степени зависят от типа и количества присутствующих примесей. Эрбий не играет какой-либо известной биологической роли, но считается, что он способен стимулировать метаболизм .

Эрбий ферромагнитен при температуре ниже 19 К, антиферромагнитен при температуре от 19 до 80 К и парамагнитен выше 80 К.

Эрбий может образовывать атомные кластеры в форме пропеллера Er ₃ N, где расстояние между атомами эрбия составляет 0,35 нм. Эти кластеры можно выделить, инкапсулируя их в молекулы фуллерена , что подтверждается просвечивающей электронной микроскопией .

Химические свойства

Металлический эрбий сохраняет свой блеск на сухом воздухе, однако медленно тускнеет на влажном воздухе и легко горит с образованием оксида эрбия (III) :

4 Er + 3 O ₂ → 2 Er ₂ O ₃

Эрбий довольно электроположителен и медленно реагирует с холодной водой и довольно быстро с горячей водой с образованием гидроксида эрбия:

2 Er (т.) + 6 H ₂ O (л) → 2 Er (OH) ₃ (водн.) + 3 H ₂ (г)

Металлический эрбий реагирует со всеми галогенами:

2 Er (s) + 3 F ₂ (g) → 2 ErF ₃ (s) [розовый]

2 Er (s) + 3 Cl ₂ (г) → 2 ErCl ₃ (s) [фиолетовый]

2 Er (s) + 3 Br ₂ (г) → 2 ErBr ₃ (s) [фиолетовый]

2 Er (s) + 3 I ₂ (g) → 2 ErI ₃ (s) [фиолетовый]

Эрбий легко растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием растворов, содержащих гидратированные ионы Er (III), которые существуют в виде комплексов гидратации [Er (OH ₂ ) ₉ ] ³⁺ розово-красного цвета :

2 Er (т.) + 3 H ₂ SO ₄ (водн.) → 2 Er ³⁺ (водн.) + 3 SO^2-
₄(водн.) + 3 H ₂ (г)

Изотопы

Встречающийся в природе эрбий состоит из 6 стабильных изотопов ,¹⁶²
Э
, ¹⁶⁴
Э
, ¹⁶⁶
Э
, ¹⁶⁷
Э
, ¹⁶⁸
Э
, а также ¹⁷⁰
Э
, с участием ¹⁶⁶
Э
самая многочисленная ( естественная численность 33,503% ). Было охарактеризовано 29 радиоизотопов , наиболее стабильными из которых являются¹⁶⁹
Э
с периодом полураспада от9,4 д ,¹⁷²
Э
с периодом полураспада 49,3 ч ,¹⁶⁰
Э
с периодом полураспада 28,58 ч ,¹⁶⁵
Э
с периодом полураспада 10,36 ч , и¹⁷¹
Э
с периодом полураспада 7.516 ч . Все оставшиеся радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее3,5 часа , и у большинства из них период полураспада составляет менее 4 минут. Этот элемент также имеет 13 мета-состояний , наиболее стабильным из которых является^{167 кв.м.}
Э
с периодом полураспада 2.269 с .

Изотопы эрбия имеют атомный вес от142.9663 ед. (¹⁴³
Э
) к 176.9541 u (¹⁷⁷
Э
). Первичная мода распада перед наиболее распространенным стабильным изотопом,¹⁶⁶
Э
, это электронный захват , а основная мода после - это бета-распад . Первичные продукты распада перед¹⁶⁶
Э
являются изотопами элемента 67 ( гольмий ), а первичными продуктами после этого являются изотопы элемента 69 ( тулий ).

История

Эрбий (для Иттерьего , села в Швеции ) был обнаружен на Мосандер в 1843 Мосандер работал с образцом того , что считалось, что отдельный оксидом металла иттрий , полученный из минерального гадолините . Он обнаружил, что образец содержал по крайней мере два оксида металлов в дополнение к чистому иттрию, который он назвал « эрбия » и « тербия » в честь деревни Иттерби, где был обнаружен гадолинит. Мосандер не был уверен в чистоте оксидов, и более поздние испытания подтвердили его сомнения. Мало того, что «иттрий» содержал иттрий, эрбий и тербий; в последующие годы химики, геологи и спектроскопы открыли пять дополнительных элементов: иттербий , скандий , тулий , гольмий и гадолиний .

Однако в то время Erbia и terbia были перепутаны. Спектроскопист по ошибке поменял названия двух элементов во время спектроскопии. После 1860 года тербия была переименована в эрбия, а после 1877 года то, что называлось эрбией, было переименовано в тербия. Достаточно чистый Er ₂O ₃ был независимо выделен в 1905 году Жоржем Урбеном и Чарльзом Джеймсом . Разумно чистый металл эрбия не был произведен до 1934 , когда Вильгельм Клемм и Генрих Боммер уменьшили безводный хлорид с калием парами. Лишь в 1990-х годах цена на оксид эрбия китайского производства стала достаточно низкой, чтобы его можно было использовать в качестве красителя в художественном стекле.

Вхождение

Монацитовый песок

Концентрация эрбия в земной коре составляет около 2,8 мг / кг, а в морской воде - 0,9 нг / л. Этой концентрации достаточно, чтобы сделать эрбий примерно 45-м по содержанию элементов в земной коре .

Как и другие редкоземельные элементы, этот элемент никогда не встречается в природе в свободном виде, но встречается в монацитовых песчаных рудах. Исторически было очень сложно и дорого отделять редкоземельные элементы друг от друга в их рудах, но методы ионообменной хроматографии, разработанные в конце 20-го века, значительно снизили стоимость производства всех редкоземельных металлов и их химических соединений .

Основными коммерческими источниками эрбия являются минералы ксенотим и эуксенит , а в последнее время - ионно-адсорбционные глины южного Китая; в результате Китай стал главным мировым поставщиком этого элемента. В версиях этих рудных концентратов с высоким содержанием иттрия иттрий составляет около двух третей от общего количества по весу, а эрбия составляет около 4–5%. Когда концентрат растворяется в кислоте, эрбия высвобождает достаточно иона эрбия, чтобы придать раствору отчетливый и характерный розовый цвет. Это цветовое поведение похоже на то, что Мосандер и другие первые исследователи лантаноидов увидели бы в своих экстрактах из гадолинитовых минералов Иттерби.

Производство

Измельченные минералы подвергаются воздействию соляной или серной кислоты, которая превращает нерастворимые оксиды редкоземельных элементов в растворимые хлориды или сульфаты. Кислые фильтраты частично нейтрализуют едким натром (гидроксид натрия) до pH 3–4. Торий выпадает из раствора в виде гидроксида и удаляется. После этого раствор обрабатывают оксалатом аммония, чтобы преобразовать редкоземельные элементы в их нерастворимые оксалаты . Оксалаты превращаются в оксиды путем отжига. Оксиды растворяются в азотной кислоте, что исключает один из основных компонентов, церий , оксид которого нерастворим в HNO ₃ . Раствор обрабатывают нитратом магния для получения закристаллизованной смеси двойных солей редкоземельных металлов. Соли разделяют ионным обменом . В этом процессе ионы редкоземельных элементов сорбируются на подходящей ионообменной смоле путем обмена с ионами водорода, аммония или двухвалентной меди, присутствующими в смоле. Затем ионы редкоземельных элементов выборочно вымываются подходящим комплексообразователем. Металлический эрбий получают из его оксида или солей путем нагревания с кальцием при1450 ° C в атмосфере аргона.

Приложения

Стекло эрбиевого цвета

Повседневное использование эрбия разнообразно. Он обычно используется в качестве фотофильтра и из-за своей эластичности полезен как металлургическая добавка.

Лазеры и оптика

Ионы эрбия используются в большом количестве медицинских приложений (например, дерматология, стоматология). Излучение 2940 нм (см. Er: YAG-лазер ), которое сильно поглощается водой ( коэффициент поглощения около12 000 / см ). Такое поверхностное наложение лазерной энергии на ткани необходимо для лазерной хирургии и эффективного производства пара для лазерной абляции эмали в стоматологии.

Легированного эрбием оптического диоксида кремния стекловолокна являются активным элементом в эрбиевых волоконных усилителей (EDFA , ), которые широко используются в оптической связи . Эти же волокна можно использовать для создания волоконных лазеров . Чтобы работать эффективно, волокно, легированное эрбием, обычно совместно легируют модификаторами / гомогенизаторами стекла, часто алюминием или фосфором. Эти легирующие примеси помогают предотвратить кластеризацию ионов Er и более эффективно передавать энергию между возбуждающим светом (также известным как оптическая накачка) и сигналом. Совместное легирование оптического волокна Er и Yb используется в мощных волоконных лазерах на Er / Yb . Эрбий также может использоваться в усилителях с волноводом, легированным эрбием .

Металлургия

При добавлении к ванадию в виде сплава эрбий снижает твердость и улучшает обрабатываемость. Сплав эрбий- никель Er ₃ Ni имеет необычно высокую удельную теплоемкость при температурах жидкого гелия и используется в криохладителях ; смесь 65% Er ₃Co и 35% Er _0,9Yb _0,1 Ni по объему еще больше улучшает удельную теплоемкость.

Раскраска

Оксид эрбия имеет розовый цвет и иногда используется в качестве красителя для стекла , фианита и фарфора . Затем стекло часто используется в солнечных очках и дешевых украшениях .

Другие

Эрбий используется в ядерной технологии в регулирующих стержнях, поглощающих нейтроны .

Биологическая роль

Эрбий не играет биологической роли, но соли эрбия могут стимулировать метаболизм . В среднем люди потребляют 1 миллиграмм эрбия в год. Самая высокая концентрация эрбия у человека находится в костях , но есть также эрбий в почках и печени человека .

Токсичность

При проглатывании эрбий немного токсичен, но соединения эрбия нетоксичны. Металлический эрбий в виде пыли представляет опасность пожара и взрыва.

дальнейшее чтение

Руководство по элементам - переработанное издание , Альберт Ствертка (Oxford University Press; 1998), ISBN 0-19-508083-1 .

Внешние ссылки

Это элементаль - эрбий

Languages

In other projects