Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 в Швеции , откуда он и получил свое название.

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 оптоволокну. ВДлина волны 1550 нм особенно важна для оптической связи, поскольку стандартные одномодовые оптические волокна имеют минимальные потери на этой длине волны.

Помимо оптоволоконных усилителей-лазеров, в большом количестве медицинских приложений (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 [ править ]

Физические свойства [ править ]

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 . [4]

Эрбий ферромагнитен при температуре ниже 19 К, антиферромагнитен при температуре от 19 до 80 К и парамагнитен выше 80 К. [5]

Эрбий может образовывать атомные кластеры в форме пропеллера Er 3 N, где расстояние между атомами эрбия составляет 0,35 нм. Эти кластеры можно изолировать, инкапсулируя их в молекулы фуллерена , что подтверждается просвечивающей электронной микроскопией . [6]

Химические свойства [ править ]

Металлический эрбий сохраняет свой блеск в сухом воздухе, однако медленно тускнеет во 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 розово-красных гидратных комплексов [Er (OH 2 ) 9 ] 3+ : [7]

2 Er (т.) + 3 H 2 SO 4 (водн.) → 2 Er 3+ (водн.) + 3 SO2-
4
(водн.) + 3 H 2 (г)

Изотопы [ править ]

Встречающийся в природе эрбий состоит из 6 стабильных изотопов ,162
Э
, 164
Э
, 166
Э
, 167
Э
, 168
Э
, и 170
Э
, с 166
Э
самая многочисленная ( естественная численность 33,503% ). Было охарактеризовано 29 радиоизотопов , наиболее стабильный из которых169
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 является167 кв.м.
Э
с периодом полураспада 2.269 с . [8]

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 67-го элемента ( гольмий ), а первичными продуктами после этого являются изотопы 69-го элемента ( тулия ). [8]

История [ править ]

Эрбий (для Иттерьего , села в Швеции ) был обнаружен на Мосандер в 1843. [9] 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 помимо чистого иттрия, которые 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. Достаточно чистый Er 2 O 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. [16]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. [17]

Возникновение [ править ]

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 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 [19], разработанные в конце 20-го века, значительно снизили стоимость производства всех редкоземельных металлов и их химического состава. соединения .

Основными коммерческими источниками эрбия являются минералы ксенотим и эуксенит , а в последнее время - ионно-адсорбционные глины южного Китая; в результате Китай стал основным мировым поставщиком этого элемента. В вариантах 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 [ править ]

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 при отжиге. 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. [18] Металлический эрбий получают из его оксида или солей путем нагревания с кальцием при1450 ° C в атмосфере аргона. [18]

Приложения [ править ]

Стекло эрбиевого цвета

Повседневное использование эрбия разнообразно. Он широко используется в качестве фотографического фильтра , [20] и из - за своей упругости он полезен в качестве добавки металлургической.

Лазеры и оптика [ править ]

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 неглубокое воздействие лазерной энергии на ткани необходимо для лазерной хирургии и эффективного производства пара для лазерной абляции эмали в стоматологии. [ необходима цитата ]

Легированного эрбием оптического диоксида кремния стекловолокна являются активным элементом в эрбиевых волоконных усилителей (EDFA , ), которые широко используются в оптической связи . [21] Те же волокна можно использовать для создания волоконных лазеров . 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 Er и Yb используется в мощных волоконных лазерах на Er / Yb . Эрбий может также использоваться в усилителях с волноводом, легированным эрбием .[4]

Металлургия [ править ]

При добавлении к ванадию в виде сплава эрбий снижает твердость и улучшает обрабатываемость. [22] Эрбий- никелевый сплав Er 3 Ni имеет необычно высокую удельную теплоемкость при температурах жидкого гелия и используется в криохладителях ; смесь 65% Er 3 Co и 35% Er 0,9 Yb 0,1 Ni по объему еще больше улучшает удельную теплоемкость. [23] [24]

Раскраска [ править ]

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 . [22] [25]

Другое [ править ]

Эрбий используется в ядерной технологии в регулирующих стержнях, поглощающих нейтроны . [4] [26]

Биологическая роль [ править ]

Эрбий не играет биологической роли, но соли эрбия могут стимулировать метаболизм . В среднем человек потребляет 1 миллиграмм эрбия в год. Самая высокая концентрация эрбия у человека находится в костях , но есть также эрбий в почках и печени человека . [4]

Токсичность [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мейджа, Юрис; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. DOI : 10,1515 / пак-2015-0305 .
  2. ^ Иттрий и все лантаноиды, кроме Ce и Pm, наблюдались в степени окисления 0 в комплексах бис (1,3,5-три-трет-бутилбензола), см. Cloke, F. Geoffrey N. (1993). «Соединения в состоянии нулевого окисления скандия, иттрия и лантаноидов». Chem. Soc. Ред . 22 : 17–24. DOI : 10.1039 / CS9932200017 .и Arnold, Polly L .; 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. DOI : 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 в г д Эмсли, Джон (2001). «Эрбий» . Природа Строительные блоки: AZ Руководство по элементам . Оксфорд, Англия, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. С.  136–139 . ISBN 978-0-19-850340-8.
  5. ^ Джексон, М. (2000). «Магнетизм редкой земли» (PDF) . IRM Ежеквартально . 10 (3): 1. Архивировано из оригинального (PDF) на 2017-07-12 . Проверено 3 мая 2009 .
  6. ^ Сато, Юта; Суэнага, Кадзу; Окубо, Синго; Окадзаки, Тошия; Иидзима, Сумио (2007). «Структуры фуллеренов D 5 d -C 80 и I h -Er 3 N @ C 80 и их вращение внутри углеродных нанотрубок, продемонстрированные с помощью электронной микроскопии с коррекцией аберрации». Нано-буквы . 7 (12): 3704. Bibcode : 2007NanoL ... 7.3704S . DOI : 10.1021 / nl0720152 .
  7. ^ "Химические реакции эрбия" . Веб-элементы . Проверено 6 июня 2009 .
  8. ^ a b Audi, Жорж; Берсильон, Оливье; Blachot, Жан; Вапстра, Алдерт Хендрик (2003). "Оценка ядерных свойств и свойств распада NUBASE" . Ядерная физика . 729 (1): 3–128. Bibcode : 2003NuPhA.729 .... 3A . CiteSeerX 10.1.1.692.8504 . DOI : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.001 . 
  9. ^ Мосандер, CG (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. DOI : 10.1080 / 14786444308644728 .Примечание: первая часть этой статьи, которая НЕ касается эрбия, является переводом: CG 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)], vol. 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 . DOI : 10.1021 / ed009p1751 .
  12. ^ Маршалл, Джеймс Л. Маршалл; Маршалл, Вирджиния Р. Маршалл (2015). «Повторное открытие элементов: редкие земли - начало» (PDF) . Шестиугольник : 41–45 . Проверено 30 декабря 2019 .
  13. ^ Маршалл, Джеймс Л. Маршалл; Маршалл, Вирджиния Р. Маршалл (2015). «Повторное открытие элементов: редкие земли - непонятные годы» (PDF) . Шестиугольник : 72–77 . Проверено 30 декабря 2019 .
  14. ^ Piguet, Claude (2014). «Извлечение эрбия» . Химия природы . 6 (4): 370. Bibcode : 2014NatCh ... 6..370P . DOI : 10.1038 / nchem.1908 . PMID 24651207 . 
  15. ^ «Эрбий» . Королевское химическое общество . 2020 . Проверено 4 января 2020 года .
  16. ^ «Факты об эрбии» . Живая наука . 23 июля 2013 . Проверено 22 октября 2018 года .
  17. ^ Ihde, Арон Джон (1984). Развитие современной химии . Courier Dover Publications. С. 378–379. ISBN 978-0-486-64235-2.
  18. ^ a b c Патнаик, Прадёт (2003). Справочник неорганических химических соединений . Макгроу-Хилл. С. 293–295. ISBN 978-0-07-049439-8. Проверено 6 июня 2009 .
  19. ^ Ранняя статья об использовании вытесняющей ионообменной хроматографии для разделения редкоземельных элементов: Spedding, FH; Пауэлл, Дж. Э. (1954). «Практическое отделение редкоземельных элементов иттриевой группы от гадолинита ионным обменом». Прогресс химического машиностроения . 50 : 7–15.
  20. ^ Awwad, NS; Гад, HMH; Ахмад, Мичиган; Али, ВЧ (01.12.2010). «Сорбция лантана и эрбия из водного раствора активированным углем, приготовленным из рисовой шелухи» . Коллоиды и поверхности B: Биоинтерфейсы . 81 (2): 593–599. DOI : 10.1016 / j.colsurfb.2010.08.002 . ISSN 0927-7765 . PMID 20800456 .  
  21. ^ Беккер, ПК; Olsson, NA; Симпсон, младший (1999). Основы и технологии изготовления волоконных усилителей, легированных эрбием . Сан-Диего: Academic Press. ISBN 978-0-12-084590-3.
  22. ^ а б Хэммонд, CR (2000). Элементы в Справочнике по химии и физике (81-е изд.). CRC Press. ISBN 978-0-8493-0481-1.
  23. ^ Киттель, Питер (ред.). Успехи криогенной техники . 39а .
  24. Перейти ↑ Ackermann, Robert A. (1997). Криогенные регенеративные теплообменники . Springer. п. 58. ISBN 978-0-306-45449-3.
  25. ^ Stwertka, Альберт. Руководство 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. ^ Хейли, TJ; Koste, L .; Komesu, N .; Эфрос, М .; Upham, HC (1966). «Фармакология и токсикология хлоридов диспрозия, гольмия и эрбия». Токсикология и прикладная фармакология . 8 (1): 37–43. DOI : 10.1016 / 0041-008x (66) 90098-6 . PMID 5921895 . 
  28. Перейти ↑ Haley, TJ (1965). «Фармакология и токсикология редкоземельных элементов». Журнал фармацевтических наук . 54 (5): 663–70. DOI : 10.1002 / jps.2600540502 . PMID 5321124 . 
  29. ^ Брюс, DW; Хитбринк, Бельгия; Дюбуа, КП (1963). «Острая токсичность нитратов и оксидов редкоземельных элементов для млекопитающих». Токсикология и прикладная фармакология . 5 (6): 750–9. DOI : 10.1016 / 0041-008X (63) 90067-X . PMID 14082480 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

  • Это элементаль - эрбий