Эрбий - Erbium - Wikipedia

Эрбий,₆₈Э

Эрбий
Произношение	/ˈɜːrбяəм/ ​(UR-пчелы-əm )
Внешность	серебристо-белый
Стандартный атомный вес Аг, стд(Er)	167.259(3)[1]
Эрбий в периодическая таблица
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Утюг Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Свинец Висмут Полоний Астатин Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Беркелиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Nihonium Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон – ↑ Э ↓ FM гольмий ← эрбий → тулий
Атомный номер (Z)	68
Группа	группа н / д
Период	период 6
Блокировать	f-блок
Категория элемента	Лантаноид
Электронная конфигурация	[Xe ] 4f^12 6 с^2
Электронов на оболочку	2, 8, 18, 30, 8, 2
Физические свойства
Фаза вSTP	твердый
Температура плавления	1802 K (1529 ° С, 2784 ° F)
Точка кипения	3141 К (2868 ° С, 5194 ° F)
Плотность (возлеr.t.)	9,066 г / см^3
в жидком состоянии (приm.p.)	8,86 г / см^3
Теплота плавления	19.90 кДж / моль
Теплота испарения	280 кДж / моль
Молярная теплоемкость	28,12 Дж / (моль · К)
Давление газа п (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс. вТ (K) 1504 1663 (1885) (2163) (2552) (3132)
Атомные свойства
Состояния окисления	0,[2] +1, +2, +3 (абазовый окись)
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 1,24
Энергии ионизации	1-я: 589,3 кДж / моль 2-я: 1150 кДж / моль 3-я: 2194 кДж / моль
Радиус атома	эмпирические: 176вечера
Ковалентный радиус	189 ± 18 часов
Спектральные линии эрбия
Другие свойства
Естественное явление	изначальный
Кристальная структура	​шестиугольный плотно упакованный (ГПУ)
Скорость звука тонкий стержень	2830 м / с (при 20 ° C)
Тепловое расширение	поли: 12,2 мкм / (м · К) (r.t.)
Теплопроводность	14,5 Вт / (м · К)
Удельное электрическое сопротивление	поли: 0,860 мкОм · м (r.t.)
Магнитный заказ	парамагнитный при 300 К
Магнитная восприимчивость	+44,300.00·10^−6 см^3/ моль[3]
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 был добыт
Открытие	Карл Густав Мосандер (1843)
Главный изотопы эрбия
Изотоп Изобилие Период полураспада (т1/2) Режим распада Продукт ^160Э син 28,58 ч ε ^160Хо ^162Э 0.139% стабильный ^164Э 1.601% стабильный ^165Э син 10,36 ч ε ^165Хо ^166Э 33.503% стабильный ^167Э 22.869% стабильный ^168Э 26.978% стабильный ^169Э син 9,4 г β^− ^169Тм ^170Э 14.910% стабильный ^171Э син 7,516 ч β^− ^171Тм ^172Э син 49,3 ч β^− ^172Тм
Категория: Эрбий Посмотреть разговаривать редактировать | Рекомендации

Эрбий это химический элемент с символ Э и атомный номер 68. Серебристо-белый твердый металл, искусственно выделенный, природный эрбий всегда находится в химическом сочетании с другими элементами. Это лантаноид, а редкоземельный элемент, первоначально найденный в гадолинит мой в Иттерби в Швеция, от которого и получил свое название.

Основное использование эрбия включает его розовый цвет Er³⁺ ионы, которые обладают оптическими флуоресцентными свойствами, особенно полезными в некоторых лазерных приложениях. Стекла или кристаллы, легированные эрбием, могут использоваться в качестве оптических усиливающих сред, где Er³⁺ ионы оптически накачиваются на уровне около 980 или 1480 нм а затем излучать свет на 1530 нм в стимулированном излучении. Результатом этого процесса является необычайно простая в механическом отношении лазер оптический усилитель для сигналов, передаваемых по волоконной оптике. В 1550 нм длина волны особенно важна для оптическая связь потому что стандартный одиночный режим оптические волокна имеют минимальные потери на этой длине волны.

Помимо оптоволоконных лазеров-усилителей, во многих областях медицины (например, дерматология, стоматология) используются ионы эрбия. 2940 нм эмиссия (см. Er: YAG лазер ) при освещении на другой длине волны, которая сильно поглощается водой в тканях, что делает его эффект очень поверхностным. Такое мелкое наложение лазерной энергии на ткани помогает лазерная хирургия, а также для эффективного производства пара, который производит абляцию эмали обычными типами стоматологический лазер.

Характеристики

Физические свойства

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

А трехвалентный элемент, чистый эрбий металл податлив (или легко формируется), мягкий, но устойчивый на воздухе и не окислять так же быстро, как и другие редкоземельные металлы. Его соли розового цвета, а элемент имеет характерный резкий спектры поглощения группы в видимый свет, ультрафиолетовый, и рядом инфракрасный. 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.^[4]

Эрбий ферромагнитный ниже 19 К, антиферромагнитный от 19 до 80 К и парамагнитный выше 80 К.^[5]

Эрбий может образовывать атомные кластеры в форме пропеллера Er₃N, где расстояние между атомами эрбия составляет 0,35 нм. Эти кластеры можно изолировать, инкапсулируя их в фуллерен молекул, что подтверждается просвечивающая электронная микроскопия.^[6]

Химические свойства

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

4 Er + 3 O₂ → 2 Er₂О₃

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

2 Er (с) + 6 H₂О (л) → 2 Er (ОН)₃ (водн.) + 3 H₂ (грамм)

Металлический эрбий реагирует со всеми галогенами:

2 Er (s) + 3 F₂ (г) → 2 ErF₃ (s) [розовый]

2 Er (s) + 3 Cl₂ (г) → 2 ErCl₃ (s) [фиолетовый]

2 Er (s) + 3 Br₂ (г) → 2 ErBr₃ (s) [фиолетовый]

2 Er (с) + 3 I₂ (г) → 2 ErI₃ (s) [фиолетовый]

Эрбий легко растворяется в разбавленных серная кислота с образованием растворов, содержащих гидратированные ионы Er (III), которые существуют в виде розово-красных [Er (OH₂)₉]³⁺ гидратационные комплексы:^[7]

2 Er (с) + 3 H₂ТАК₄ (водн.) → 2 Er³⁺ (водн.) + 3 ТАК²⁻
₄ (водн.) + 3 H₂ (грамм)

Изотопы

Основная статья: Изотопы эрбия

Природный эрбий состоит из 6 стабильных изотопы, ¹⁶²
Э
, ¹⁶⁴
Э
, ¹⁶⁶
Э
, ¹⁶⁷
Э
, ¹⁶⁸
Э
, и ¹⁷⁰
Э
, с ¹⁶⁶
Э
самая многочисленная (33,503% природное изобилие ). 29 радиоизотопы были охарактеризованы, причем наиболее стабильным ¹⁶⁹
Э
с период полураспада из 9,4 г, ¹⁷²
Э
с периодом полураспада 49,3 ч, ¹⁶⁰
Э
с периодом полураспада 28,58 ч, ¹⁶⁵
Э
с периодом полураспада 10,36 ч, и ¹⁷¹
Э
с периодом полураспада 7,516 ч. Все остальные радиоактивный изотопы имеют период полураспада менее 3,5 ч, и у большинства из них период полураспада составляет менее 4 минут. Этот элемент также имеет 13 мета состояния, с наиболее устойчивым существом ^{167 кв.м.}
Э
с периодом полураспада 2,269 с.^[8]

Диапазон изотопов эрбия в атомный вес из 142.9663 ты (¹⁴³
Э
) к 176.9541 u (¹⁷⁷
Э
). Главная режим распада перед самым распространенным стабильным изотопом, ¹⁶⁶
Э
, является захват электронов, а основной режим после бета-распад. Главная продукты распада перед ¹⁶⁶
Э
элемент 67 (гольмий ) изотопов, а первичными продуктами после них являются элемент 69 (тулий ) изотопы.^[8]

История

Эрбий (для Иттерби, деревня в Швеция ) был обнаруженный к Карл Густав Мосандер в 1843 г.^[9] Мосандер работал с образцом того, что считалось одинарным оксидом металла. иттрия, полученный из минерала гадолинит. Он обнаружил, что образец содержит по крайней мере два оксида металлов в дополнение к чистому иттрию, который он назвал «Эрбия " и "тербия «после деревни Иттерби, где был обнаружен гадолинит. Мосандер не был уверен в чистоте оксидов, и более поздние испытания подтвердили его неопределенность. Не только« иттрий »содержал иттрий, эрбий и тербий; в последующие годы, химики, геологи и спектроскописты обнаружили пять дополнительных элементов: иттербий, скандий, тулий, гольмий, и гадолиний.^{[10]:701[11][12][13][14][15]}

Однако в это 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. Довольно чистый Er₂О₃ был независимо изолирован в 1905 г. Жорж Урбен и Чарльз Джеймс. Достаточно чистый металлический эрбий не производился до 1934 г., когда Вильгельм Клемм и Генрих Боммер уменьшил безводный хлористый с калий пар.^[16] Лишь в 1990-х цена на оксид эрбия китайского производства стала достаточно низкой, чтобы его можно было использовать в качестве красителя в художественном стекле.^[17]

Вхождение

Монацитовый песок

Концентрация эрбия в земной коре составляет около 2,8 мг / кг, а в морской воде - 0,9 нг / л.^[18] Этой концентрации достаточно, чтобы сделать эрбий примерно 45-м в изобилие элементов в земной коре.

Подобно другим редкоземельным элементам, этот элемент никогда не встречается в природе как свободный элемент, а встречается в монацит песчаные руды. Исторически было очень сложно и дорого отделять редкоземельные элементы друг от друга в их рудах, но ионный обмен методы хроматографии^[19] , разработанные в конце 20 века, значительно снизили стоимость производства всех редкоземельных металлов и их химические соединения.

Основные коммерческие источники эрбия - это минералы. ксенотайм и эвксенит и совсем недавно - ионно-адсорбционные глины южного Китая; в результате Китай стал основным 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 видели в своих экстрактах из гадолинитовых минералов Иттерби.

Производство

Измельченные минералы поражаются соляной или серная кислота который превращает нерастворимые оксиды редкоземельных элементов в растворимые хлориды или сульфаты. Кислые фильтраты частично нейтрализуют каустической содой (гидроксид натрия) до pH 3–4. Торий осаждается из раствора в виде гидроксида и удаляется. После этого раствор обрабатывают оксалат аммония превращать редкие земли в их нерастворимые оксалаты. Оксалаты превращаются в оксиды при отжиге. Оксиды растворяются в азотная кислота что исключает один из основных компонентов, церий, оксид которого нерастворим в HNO₃. Раствор обрабатывают нитрат магния для получения кристаллизованной смеси двойные соли редкоземельных металлов. Соли разделены ионный обмен. 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.^[18] Металлический эрбий получают из его оксида или солей путем нагревания с кальций в 1450 ° С в атмосфере аргона.^[18]

Приложения

Стекло эрбиевого цвета

Ежедневное использование эрбия разнообразно. Обычно используется как фотографический фильтр,^[20] и из-за своей упругости он полезен в качестве металлургической добавки.

Лазеры и оптика

Ионы эрбия используются в большом количестве медицинских приложений (например, дерматология, стоматология). 2940 нм эмиссия (см. Er: YAG лазер ), который хорошо впитывается водой (коэффициент поглощения о 12000/см). Такое неглубокое воздействие лазерной энергии на ткани необходимо для лазерной хирургии и эффективного производства пара для лазерной абляции эмали в стоматологии.^{[нужна цитата ]}

Легированный эрбием оптические волокна из кварцевого стекла являются активным элементом в усилители на волокне, легированном эрбием (EDFA), которые широко используются в оптическая связь.^[21] Эти же волокна можно использовать для создания волокон. лазеры. Чтобы работать эффективно, волокна, легированные 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 с Er и Yb используется в мощные волоконные лазеры Er / Yb. Эрбий также можно использовать в волноводные усилители, легированные эрбием.^[4]

Металлургия

При добавлении в ванадий как сплав, эрбий снижает твердость и улучшает удобоукладываемость.^[22] Эрбий-никель сплав Er₃Ni имеет необычно высокую удельную теплоемкость при температурах жидкого гелия и используется в криокулеры; смесь 65% Er₃Co и 35% Er_0.9Yb_0.1Ni по объему еще больше улучшает удельную теплоемкость.^[23][24]

Окраска

Оксид эрбия имеет розовый цвет, иногда используется как краситель для стекло, кубический цирконий и фарфор. Затем стекло часто используется в солнечные очки и дешево ювелирные украшения.^[22][25]

Другие

Эрбий используется в ядерный технология поглощения нейтронов стержни управления.^[4][26]

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 в организме человека находится в кости, но в человеческом почки и печень.^[4]

Токсичность

При проглатывании эрбий немного токсичен, но соединения эрбия не токсичны.^[4] Металлический эрбий в виде пыли представляет опасность пожара и взрыва.^[27][28][29]

Рекомендации

1. Мейя, Юрис; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)». Чистая и прикладная химия. 88 (3): 265–91. Дои:10.1515 / pac-2015-0305.
2. Иттрий и все лантаноиды, кроме Ce и Pm, наблюдались в степени окисления 0 в бис (1,3,5-три-трет-бутилбензол) комплексах, см. Клок, Ф. Джеффри Н. (1993). «Соединения в состоянии нулевого окисления скандия, иттрия и лантаноидов». Chem. Soc. Rev. 22: 17–24. Дои:10.1039 / CS9932200017. и Арнольд, Полли Л .; Петрухина, Марина А .; Боченков, Владимир Е .; Шабатина, Татьяна И .; Загорский, Вячеслав В .; Cloke (15 декабря 2003 г.). "Комплексообразование арена атомов Sm, Eu, Tm и Yb: спектроскопическое исследование при переменной температуре". Журнал металлоорганической химии. 688 (1–2): 49–55. Дои:10.1016 / j.jorganchem.2003.08.028.
3. Weast, Роберт (1984). CRC, Справочник по химии и физике. Бока-Ратон, Флорида: Издательство Chemical Rubber Company. стр. E110. ISBN  0-8493-0464-4.
4. Эмсли, Джон (2001). «Эрбий». Строительные блоки природы: руководство по элементам от А до Я. Оксфорд, Англия, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. стр.136–139. ISBN  978-0-19-850340-8.
5. Джексон, М. (2000). «Магнетизм редкой земли» (PDF). IRM Ежеквартально. 10 (3): 1. Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-07-12. Получено 2009-05-03.
6. Сато, Юта; Суэнага, Кадзу; Окубо, Синго; Окадзаки, Тошия; Иидзима, Сумио (2007). "Структуры D_5d-C₈₀ и я_час-Er₃N @ C₈₀ Фуллерены и их вращение внутри углеродных нанотрубок, продемонстрированное с помощью электронной микроскопии с коррекцией аберраций ». Нано буквы. 7 (12): 3704. Bibcode:2007NanoL ... 7.3704S. Дои:10.1021 / nl0720152.
7. «Химические реакции эрбия». Веб-элементы. Получено 2009-06-06.
8. Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Blachot, Жан; Вапстра, Алдерт Хендрик (2003). "Оценка ядерных свойств и свойств распада NUBASE". Ядерная физика A. 729 (1): 3–128. Bibcode:2003НуФА.729 .... 3А. CiteSeerX  10.1.1.692.8504. Дои:10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.001.
9. Мосандер, К. Г. (1843). «О новых металлах, лантании и дидиме, которые связаны с церием; и о эрбии и тербии, новых металлах, связанных с иттрием». Философский журнал. 23 (152): 241–254. Дои:10.1080/14786444308644728. Примечание: первая часть этой статьи, которая НЕ касается эрбия, является переводом: C.G. Mosander (1842). "Något om Cer och Lanthan" [Некоторые (новости) о церии и лантане], Förhandlingar vid de Skandinaviske naturforskarnes tredje möte (Стокгольм) [Труды Третьей конференции скандинавских ученых (Стокгольм)], т. 3. С. 387–398.
10. Недели, Мэри Эльвира (1956). Открытие элементов (6-е изд.). Истон, Пенсильвания: Журнал химического образования.
11. Недели, Мэри Эльвира (1932). «Открытие элементов: XVI. Редкоземельные элементы». Журнал химического образования. 9 (10): 1751–1773. Bibcode:1932JChEd ... 9,1751W. Дои:10.1021 / ed009p1751.
12. Маршалл, Джеймс Л. Маршалл; Маршалл, Вирджиния Р. Маршалл (2015). «Повторное открытие элементов: редкие земли - начало» (PDF). Шестиугольник: 41–45. Получено 30 декабря 2019.
13. Маршалл, Джеймс Л. Маршалл; Маршалл, Вирджиния Р. Маршалл (2015). «Повторное открытие элементов: редкие земли - смутные годы» (PDF). Шестиугольник: 72–77. Получено 30 декабря 2019.
14. Пиге, Клод (2014). «Извлечение эрбия». Химия природы. 6 (4): 370. Bibcode:2014НатЧ ... 6..370П. Дои:10.1038 / nchem.1908. PMID  24651207.
15. «Эрбий». Королевское химическое общество. 2020. Получено 4 января 2020.
16. «Факты об эрбии». Живая наука. 23 июля 2013 г.. Получено 22 октября 2018.
17. Ihde, Аарон Джон (1984). Развитие современной химии. Courier Dover Publications. С. 378–379. ISBN  978-0-486-64235-2.
18. Патнаик, Прадёт (2003). Справочник неорганических химических соединений. Макгроу-Хилл. С. 293–295. ISBN  978-0-07-049439-8. Получено 2009-06-06.
19. Ранняя статья об использовании вытесняющей ионообменной хроматографии для разделения редкоземельных элементов: Spedding, F.H .; Пауэлл, Дж. Э. (1954). «Практическое отделение редкоземельных элементов иттриевой группы от гадолинита ионным обменом». Прогресс химического машиностроения. 50: 7–15.
20. Аввад, Н. С .; Gad, H.MH .; Ahmad, M. I .; Али, Х. Ф. (01.12.2010). «Сорбция лантана и эрбия из водного раствора активированным углем из рисовой шелухи». Коллоиды и поверхности B: биоинтерфейсы. 81 (2): 593–599. Дои:10.1016 / j.colsurfb.2010.08.002. ISSN  0927-7765. PMID  20800456.
21. Becker, P.C .; Olsson, N.A .; Симпсон, Дж. Р. (1999). Основы и технологии изготовления волоконных усилителей, легированных эрбием. Сан-Диего: Academic Press. ISBN  978-0-12-084590-3.
22. Хаммонд, К. Р. (2000). Элементы в Справочнике по химии и физике (81-е изд.). CRC Press. ISBN  978-0-8493-0481-1.
23. Киттель, Питер (ред.). Достижения в криогенной технике. 39а.
24. Акерманн, Роберт А. (1997). Криогенные регенеративные теплообменники. Springer. п. 58. ISBN  978-0-306-45449-3.
25. Stwertka, Альберт. Путеводитель по элементам, Oxford University Press, 1996, стр. 162. ISBN  0-19-508083-1
26. Приход, Теодор А .; Хромов, Вячеслав В .; Каррон, Игорь, ред. (1999). «Использование уран-эрбиевого и плутоний-эрбиевого топлива в реакторах РБМК». Вопросы безопасности, связанные с участием плутония в ядерном топливном цикле. CBoston: Kluwer. С. 121–125. ISBN  978-0-7923-5593-9.
27. Haley, T. J .; Koste, L .; Komesu, N .; Эфрос, М .; Upham, Х.С. (1966). «Фармакология и токсикология хлоридов диспрозия, гольмия и эрбия». Токсикология и прикладная фармакология. 8 (1): 37–43. Дои:10.1016 / 0041-008x (66) 90098-6. PMID  5921895.
28. Хейли, Т. Дж. (1965). «Фармакология и токсикология редкоземельных элементов». Журнал фармацевтических наук. 54 (5): 663–70. Дои:10.1002 / jps.2600540502. PMID  5321124.
29. Брюс, Д. В .; Hietbrink, B.E .; Дюбуа, К. П. (1963). «Острая токсичность нитратов и оксидов редкоземельных элементов для млекопитающих». Токсикология и прикладная фармакология. 5 (6): 750–9. Дои:10.1016 / 0041-008X (63) 90067-X. PMID  14082480.

дальнейшее чтение

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

внешняя ссылка

• Это элементаль - эрбий