Ербій

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Ербій (Er)
Атомний номер 68
Зовнішній вигляд
простої речовини
м'ягкий, ковкий
сріблястий метал Erbium-crop.jpg
Властивості атома
Атомна маса
(молярна маса)
167,26 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 178 пм
Енергія іонізації
(перший електрон)
581,0(6,02) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Xe] 4f12 6s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 157 пм
Радіус іона (+3e) 88,1 пм
Електронегативність
(за Полінгом)
1,24
Електродний потенціал Er←Er3+ -2,32В
Ступені окиснення 3
Термодинамічні властивості
Густина 9,06 г/см³
Питома теплоємність 0,168 Дж/(K моль)
Теплопровідність (14,5) Вт/(м К)
Температура плавлення 1802 K
Теплота плавлення n/a кДж/моль
Температура кипіння 3136 K
Теплота випаровування 317 кДж/моль
Молярний об'єм 18,4 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки гексагональна
Період ґратки 3,560 Å
Відношення c/a 1,570
Температура Дебая n/a K
Періодична система елементів
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Походження назви[ред.ред. код]

Поряд з трьома іншими хімічними елементами (тербієм, ітербієм, ітрієм) отримав назву на честь села Ітербю, яке розташоване на острові Ресаре, що входить в Стокгольмський архіпелаг.

Фізичні Властивості[ред.ред. код]

Ербію(III)хлорид під сонячним світлом, флуоресціює рожевим як і інші сполуки, що містять Er+3 під дією природного ультрафіолету.

Ербій тривалентний елемент, чистий метал ковкий та тягучий, м'який та доволі стійкий на повітрі, та окиснюється не так швидко як деякі інші лантаноїди. Його солі забарвлені в рожеві тони, і мають характерний спектр поглинання з гострими піками у видимому діапазоні, ультрафіолеті, та ближньому ІЧ. В іншому цей елемент є типовим рідкісноземельним елементом. Його сесквіоксид також називається ербія. Властивості металічного ербію дуже сильно залежать від кількості домішок. Ербій не відіграє будь-якої відомої біологічної ролі, але є думка, що він посилює метаболізм.[1]

Ербій є феромагнетиком нижче 19 K, антиферомагнетиком між 19 та 80 K та парамагнетиком вишче 80 K.[2]

Ербій здатний формувати кластери Er3N, відстань між атомами ербію 0,35 нм. Ці кластери можуть бути інкапсульовані в молекулі фулерену, що підтверджено ТЕМ.[3]

Хімічні властивості[ред.ред. код]

Металічний ербій повільно вкривається оксидною плівкою ербію (III) оксиду та втрачає блиск:

4 Er + 3 O2 → 2 Er2O3

Ербій є типовим електропозитивним елементом та реагує повільно із холодною водою та швидше із гарячою, з утворенням гідроксиду ербію:

2 Er (s) + 6 H2O (l) → 2 Er(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

Також він реагує із усіма галогенами:

2 Er (s) + 3 F2 (g) → 2 ErF3 (s) [pink]
2 Er (s) + 3 Cl2 (g) → 2 ErCl3 (s) [violet]
2 Er (s) + 3 Br2 (g) → 2 ErBr3 (s) [violet]
2 Er (s) + 3 I2 (g) → 2 ErI3 (s) [violet]

Металічний ербій легко розчиняється у розведеній сірчаній кислоті утворюючи розчин, що містить гідратовані іони Er(III), що існують у вигляди гідратованого комплексу [Er(OH2)9]3+:[4]

2 Er (s) + 3H2SO4 (aq) → 2 Er3+ (aq) + 3 SO2-4(aq) + 3H2(g)

Ізотопи[ред.ред. код]

Природній ербій складається із 6 стабільних ізотопів, Er-162, Er-164, Er-166, Er-167, Er-168, та Er-170 з Er-166 що є найпоширенішими (33,503% природного ербію). 29 радіоізотопів є описаними, найбільш стабільний з яких 169Er з періодом напіврозпаду 9,4 діб, Er-172 з періодом напіврозпаду 49,3 годин, Er-160 з періодом напіврозпаду 28,58 годин, Er-165 з періодом напіврозпаду 10,36 годин, та Er-171 з періодом напіврозпаду 7,516 годин. Всі інші радіоактивні ізотопи мають період напіврозпаду менше ніж 3,5 годин, та багато з них з періодом напіврозпаду менше 4 хвилин. Цей елемент має також 13 ядерних ізомерів, з найбільш стабільним Er-167m з періодом напіврозпаду 2,269 сек.[5]

Ізотопи ербію лежать у діапазоні атомних мас від 142,9663 (для Er-143) до 176,9541 (для Er-177).

Історія[ред.ред. код]

Ербій (від Іттербі, селища у Швеції) був відкритий Карлом Густавом Мозандером у 1843.[6] Мозандер розділив землю "іттрія" з мінералу гадолініту на три фракції які він назвав іттрія, ербія, та тербія. Однак ще довго припускалось що йшлося про суміш оксидів ербію, скандію, гольмію, тулію та ітербію. Він назвав елемент із-зі того що біля селища Іттербі було знайдено великі кількості мінералів іттрію та ербію. Ербія та тербія, в той час були дещо переплутані. Після 1860 р. тербію було перейменовано в ербію. та після 1877 землю відому як ербія, було перейменовано знов в тербію. Достатньо чистий Er2O3 був незалежно ізольований в 1905 Жоржем Урбеном та Чарльзом Джеймсом. Адекватно чистий метал був отриманий лише у 1934 коли Клемм та Боммер відновили безводний хлорид за допомогою калію . І тільки у 1990-х роках китайський оксид ербію впав у ціні, та став використовуватися як барвник для скла.[7]

Розповсюдженність[ред.ред. код]

Монацитовий пісок

Концентрація ербію у земній корі приблизно 2,8 мг/кг та у морській воді 0,9 нг/л.[8] Ці концентрації достатні для того щоб поставити ербій 45-м з розповсюдження серед елементів у земній корі, таким чином, він більш розповсюджений ніж такий елемент як наприклад свинець.

Як інші рідкісні елементи, цей ніколи не знаходиться у природі у вільному стані але міститься у монацитових пісках. Історично було дуже складно та дорого розділяти рідкісноземельні елементи, але до тих пір як з'явилася доступна іонообмінна хроматографія[9] Розроблена у другій половині ХХ сторіччя, вона дуже суттєво вплинула на вартість багатьох рідкісноземельних елементів.

Комерційним джерелом ербію є мінерали ксенотим та евксеніт, та нещодавно, глини північного Китаю; до речі, зараз Китай є основним постачальником цього елементу. У високо-іттрієвій фракції концентрату іттрій становить 2/3 за вагою, і ербію близько 4-5%. Після розчинення концентрату у кислоті ербій забарвлює розчин у рожевий колір, той самий, якій Мозандер спостерігав досліджуючи мінерали селища Іттербю...

Виробництво[ред.ред. код]

Металічний Е. отримують металотермічним відновленням флуориду або хлориду ербію.

Молотий мінерал обробляють соляною чи сірчаною кислотою що переводять нерозчинні оксиди у хлориди чи сульфати. Кислотні фільтрати частково нейтралізують гідроксидом натрію до pH 3-4. Торій осаджується у вигляді гідратованого оксиду, та видаляється. Після цього розчин обробляють оксалатом амонію для осадження рідкісноземельних металів у вигляди нерозчинних оксалатів. Прожарюванням останніх отримують оксиди. Оксиди розчиняють у азотній кислоті щоб відділити основний компонент - церій, його оксид є нерозчинним у HNO3. Розчин обробляють нітратом магнію для осадження подвійної солі рідкісноземельних елементів. В подальшому елементи розділяють іонообмінною хроматографією. В цьому процессі, іони рідкісноземельних елементів пропускаються крізь іонообмінну смолу, насичену іонами водню, амонію або міді. Рідкісноземельні елементи вимиваються послідовно комплексоутворюючими агентами.[8] Металічний ербій отримують із оксиду чи солей шляхом нагрівання з кальцієм за 1450 °C в атмосфері аргону.[8]

Застосування[ред.ред. код]

Застосовується при виробництві сортового забарвленого скла, а також скла, яке поглинає інфрачервоні промені.

Повсякденне використання ербію змінюється. Наприклад, він використовується для виробництва скляних фотографічних фільтрів, також він використовується у металургії. Інші використання:

  • Використовується у ядерній промисловості.[1][10]
  • Доданий до ванадію утворює сплав, з пониженою твердістю та більш технологічний.[11]
  • Оксид ербію має рожевий колір, та використовується для забарвлювання скла, цирконів та порцеляни. Скло використовується у сонячних окулярах та ювелірній промисловості.[11]
  • Доповані ербієм оптичні скляні волокна є активним елементом в ербієвих оптичних помножувачах (EDFAs), що широко використовуються у оптичних засобах зв'язку.[12] Деякі волокна використовуються у створенні волоконних лазерах. Ко-доповані Er та Yb оптичні волокна використовуються у створенні високоенергетичних Er/Yb волоконних лазерах, що є альтернативою CO2-лазерам для металообробки.[1]
  • Сплав ербій-нікель Er3Ni має цікаві магніто-термічні властивості та використовується у кріокулерах; суміш 65% Er3Co та 35% Er0,9Yb0,1Ni за об'ємом демонструє дуже високу питому теплоємність[13][14]
  • Багато медичних зостосувань (наприклад, дерматологія, стоматологія) використовують випромінення 2940 nm іонів ербію (див. Er:YAG лазер), що сильно поглинається водою (коефіцієнт абсорбції близько 12000/cm).

Попередження[ред.ред. код]

Як інші лантаноїди, сполуки ербію мають низку токсичність, хоча їхня токсичність не досліджувалася детально. Металічний ербій у вигляді пилу може утворювати з повітрям вибухонебезпечні суміші.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. а б в Emsley, John (2001). «Erbium». Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. с. 136–139. ISBN 0-19-850340-7. 
  2. M. Jackson Magnetism of Rare Earth // The IRM quarterly, 10 (2000) (3).
  3. Yuta Sato; Kazu Suenaga; Shingo Okubo; Toshiya Okazaki; Sumio Iijima Structures of D5d-C80 and Ih-Er3N@C80 Fullerenes and Their Rotation Inside Carbon Nanotubes Demonstrated by Aberration-Corrected Electron Microscopy // Nano Letters, 7 (2007). — DOI:10.1021/nl0720152.
  4. «Chemical reactions of Erbium». Webelements. Процитовано 2009-06-06. 
  5. Georges Audi The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties // Nuclear Physics A, 729 Atomic Mass Data Center (2003) С. 3–128. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
  6. C. G. Mosander (October 1843) "On the new metals, Lanthanium and Didymium, which are associated with Cerium; and on Erbium and Terbium, new metals associated with Yttria," Philosophical Magazine, series 3, vol. 23, no. 152, pages 241-254. Available on-line at: http://books.google.com/books?ie=ISO-8859-1&output=html&id=uFAwAAAAIAAJ&dq=Mosander+erbium&ots=IX9LKVOIo2&jtp=241 . Note: The first part of this article, which does NOT concern erbium, is a translation of: C. G. Mosander (1842) "Något om Cer och Lanthan" [Some (news) about cerium and lanthanum], Förhandlingar vid de Skandinaviske naturforskarnes tredje möte (Stockholm) [Transactions of the Third Scandinavian Scientist Conference (Stockholm)], vol. 3, pages 387-398. Available on-line (in Swedish): http://books.google.com/books?ie=ISO-8859-1&output=html&id=XK4tAAAAcAAJ&jtp=387 .
  7. Aaron John Ihde (1984). The development of modern chemistry. Courier Dover Publications. с. 378–379. ISBN 0486642356. 
  8. а б в Patnaik, Pradyot (2003). Handbook of Inorganic Chemical Compounds. McGraw-Hill. с. 293–295. ISBN 0070494398. Процитовано 2009-06-06. 
  9. Early paper on the use of displacement ion-exchange chromatography to separate rare earths: F.H. Spedding and J.E.Powell (1954) "A practical separation of yttrium group rare earths from gadolinite by ion-exchange," Chemical Engineering Progress, vol. 50, pages 7–15.
  10. edited by Theodore A. Parish, Vyacheslav V. Khromov, Igor Carron. (1999). «Use of UraniumErbium and PlutoniumErbium Fuel in RBMK Reactors». Safety issues associated with Plutonium involvement in the nuclear fuel cycle. CBoston: Kluwer. с. 121–125. ISBN 9780792355939. 
  11. а б C. R. Hammond (2000). The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition. CRC press. ISBN 0849304814. 
  12. P.C. Becker, N.A. Olsson, J.R. Simpson ; (1999). Erbium-doped fiber amplifiers fundamentals and technology. San Diego: Academic Press. ISBN 9780120845903. 
  13. Peter Kittel (ред.). Advances in Cryogenic Engineering volume 39a. 
  14. Ackermann, Robert A. (1997). Cryogenic Regenerative Heat Exchangers. Springer. с. 58. ISBN 9780306454493. 

Для подальшого читання[ред.ред. код]

  • Guide to the Elements – Revised Edition, Albert Stwertka, (Oxford University Press; 1998) ISBN 0-19-508083-1

Посилання[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]