Эрбий - Википедия - Erbium

Эрбий,68Э
Эрбий-урожай.jpg
Эрбий
Произношение/ˈɜːrбяəм/ ​(UR-пчелы-əm )
Внешностьсеребристо-белый
Стандартный атомный вес Аг, стд(Er)167.259(3)[1]
Эрбий в периодическая таблица
ВодородГелий
ЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеон
НатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргон
КалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецУтюгКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптон
РубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийБанкаСурьмаТеллурЙодКсенон
ЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоМеркурий (элемент)ТаллийСвинецВисмутПолонийАстатинРадон
ФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБеркелиумКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБориумКалийМейтнерийДармштадтиумРентгенийКопернициумNihoniumФлеровийМосковиумЛиверморийTennessineОганессон
–
↑
Э
↓
FM
гольмий ← эрбий → тулий
Атомный номер (Z)68
Группагруппа н / д
Периодпериод 6
Блокироватьf-блок
Категория элемента  Лантаноид
Электронная конфигурация[Xe ] 4f12 6 с2
Электронов на оболочку2, 8, 18, 30, 8, 2
Физические свойства
Фаза вSTPтвердый
Температура плавления1802 K (1529 ° С, 2784 ° F)
Точка кипения3141 К (2868 ° С, 5194 ° F)
Плотность (возлеr.t.)9,066 г / см3
в жидком состоянии (приm.p.)8,86 г / см3
Теплота плавления19.90 кДж / моль
Теплота испарения280 кДж / моль
Молярная теплоемкость28,12 Дж / (моль · К)
Давление газа
п (Па)1101001 к10 тыс.100 тыс.
вТ (K)15041663(1885)(2163)(2552)(3132)
Атомные свойства
Состояния окисления0,[2] +1, +2, +3 (абазовый окись)
ЭлектроотрицательностьШкала Полинга: 1,24
Энергии ионизации
  • 1-я: 589,3 кДж / моль
  • 2-я: 1150 кДж / моль
  • 3-я: 2194 кДж / моль
Радиус атомаэмпирические: 176вечера
Ковалентный радиус189 ± 18 часов
Цветные линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии эрбия
Другие свойства
Естественное явлениеизначальный
Кристальная структура ​шестиугольный плотно упакованный (ГПУ)
Гексагональная плотноупакованная кристаллическая структура эрбия
Скорость звука тонкий стержень2830 м / с (при 20 ° C)
Тепловое расширениеполи: 12,2 мкм / (м · К) (r.t.)
Теплопроводность14,5 Вт / (м · К)
Удельное электрическое сопротивлениеполи: 0,860 мкОм · м (r.t.)
Магнитный заказпарамагнитный при 300 К
Магнитная восприимчивость+44,300.00·10−6 см3/ моль[3]
Модуль для младших69,9 ГПа
Модуль сдвига28,3 ГПа
Объемный модуль44,4 ГПа
коэффициент Пуассона0.237
Твердость по Виккерсу430–700 МПа
Твердость по Бринеллю600–1070 МПа
Количество CAS7440-52-0
История
Именованиепосле Иттерби (Швеция), где был добыт
ОткрытиеКарл Густав Мосандер (1843)
Главный изотопы эрбия
ИзотопИзобилиеПериод полураспада (т1/2)Режим распадаПродукт
160Эсин28,58 чε160Хо
162Э0.139%стабильный
164Э1.601%стабильный
165Эсин10,36 чε165Хо
166Э33.503%стабильный
167Э22.869%стабильный
168Э26.978%стабильный
169Эсин9,4 гβ−169Тм
170Э14.910%стабильный
171Эсин7,516 чβ−171Тм
172Эсин49,3 чβ−172Тм
Категория Категория: Эрбий
| 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% Er0.9Yb0.1Ni 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. ^ а б c d е 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 D5d-C80 и ячас-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. ^ а б 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. ^ а б c 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. ^ а б 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