Erb - Erbium
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Erb | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Wymowa |
/ Ɜːr b ı ə m / |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wygląd | srebrzystobiały | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Średnia masa atomowa R std (ER) | 167.259(3) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Erb w układzie okresowym | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Liczba atomowa ( Z ) | 68 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupa | grupa nie dotyczy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kropka | okres 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Blok | f-blok | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Konfiguracja elektronów | [ Xe ] 4f 12 6s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrony na powłokę | 2, 8, 18, 30, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Właściwości fizyczne | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Faza w STP | solidny | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Temperatura topnienia | 1802 K (1529 °C, 2784 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Temperatura wrzenia | 3141 K (2868 ° C, 5194 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gęstość (w pobliżu rt ) | 9,066 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| w stanie ciekłym (przy mp ) | 8,86 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ciepło stapiania | 19,90 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ciepło parowania | 280 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molowa pojemność cieplna | 28,12 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ciśnienie pary
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Właściwości atomowe | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stany utleniania | 0, +1, +2, +3 ( podstawowy tlenek) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektroujemność | Skala Paulinga: 1,24 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Energie jonizacji | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Promień atomowy | empiryczny: 176 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Promień kowalencyjny | 189±6 po południu | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Inne właściwości | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Naturalne występowanie | pierwotny | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Struktura krystaliczna | sześciokątne ciasno upakowane (hcp) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Prędkość dźwięku cienki pręt | 2830 m/s (przy 20 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rozszerzalność cieplna | poli: 12,2 µm/(m⋅K) ( rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Przewodność cieplna | 14,5 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rezystancja | poli: 0,860 µΩ⋅m ( rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Zamawianie magnetyczne | paramagnetyczny przy 300 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molowa podatność magnetyczna | +44 300 0,00 x 10 -6 cm 3 / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Moduł Younga | 69,9 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Moduł ścinania | 28,3 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Moduł objętościowy | 44,4 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Współczynnik Poissona | 0,237 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Twardość Vickersa | 430–700 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Twardość Brinella | 600–1070 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Numer CAS | 7440-52-0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Historia | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nazewnictwo | po Ytterby (Szwecja), gdzie był wydobywany | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Odkrycie | Carl Gustaw Mosander (1843) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Główne izotopy erbu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Erb to pierwiastek chemiczny o symbolu Er i liczbie atomowej 68. Sztucznie wyizolowany, srebrzystobiały metal w postaci stałej, naturalny erb zawsze występuje w połączeniu chemicznym z innymi pierwiastkami. Jest to lantanowców , o pierwiastek ziem rzadkich , pierwotnie znaleźć w gadolinit kopalni w Ytterby , Szwecja , która jest źródłem nazwy elementu.
Główne zastosowania Erbium obejmują jego różowe jony Er 3+ , które mają optyczne właściwości fluorescencyjne, szczególnie przydatne w niektórych zastosowaniach laserowych. Szkła lub kryształy domieszkowane erbem mogą być stosowane jako nośniki optycznego wzmocnienia, w których jony Er 3+ są pompowane optycznie przy około 980 lub1480 nm, a następnie promieniować światłem przy light1530 nm w emisji wymuszonej. W wyniku tego procesu powstaje niezwykle prosty mechanicznie laserowy wzmacniacz optyczny dla sygnałów przesyłanych światłowodami. Długość fali 1550 nm jest szczególnie ważna dla komunikacji optycznej, ponieważ standardowe światłowody jednomodowe mają minimalne straty przy tej konkretnej długości fali.
Oprócz wzmacniaczy-laserów światłowodowych, wiele różnych zastosowań medycznych (np. dermatologia, stomatologia) opiera się na jonach erbu Emisja 2940 nm (patrz laser Er:YAG ) przy innej długości fali, która jest silnie absorbowana przez wodę w tkankach, przez co jej efekt jest bardzo powierzchowny. Takie płytkie odkładanie energii lasera w tkankach jest pomocne w chirurgii laserowej oraz w wydajnej produkcji pary, która powoduje ablację szkliwa za pomocą powszechnie stosowanych laserów dentystycznych .
Charakterystyka
Właściwości fizyczne
chloride_sunlight.jpg)
Trójwartościowego element czysty erb metalu jest plastyczny (lub łatwo kształtować) miękkiego jeszcze stabilny w powietrzu, nie utleniają się tak szybko, jak inne metale ziem rzadkich . Jego sole są koloru różowego, a pierwiastek ma charakterystyczne ostre pasma widma absorpcji w świetle widzialnym , ultrafiolecie i bliskiej podczerwieni . Poza tym wygląda jak inne pierwiastki ziem rzadkich. Jego półtoratlenek nazywa erbia . Właściwości erbu są do pewnego stopnia podyktowane rodzajem i ilością obecnych zanieczyszczeń. Erb nie odgrywa żadnej znanej roli biologicznej, ale uważa się, że jest w stanie stymulować metabolizm .
Erb jest ferromagnetyczny poniżej 19 K, antyferromagnetyczny od 19 do 80 K i paramagnetyczny powyżej 80 K.
Erb może tworzyć klastry atomowe Er 3 N w kształcie śmigła , gdzie odległość między atomami erbu wynosi 0,35 nm. Klastry te można wyizolować poprzez kapsułkowanie ich w cząsteczki fulerenów , co potwierdza transmisyjna mikroskopia elektronowa .
Właściwości chemiczne
Metaliczny erb zachowuje swój połysk w suchym powietrzu, jednak powoli matowieje w wilgotnym powietrzu i pali się łatwo, tworząc tlenek erbu (III) :
- 4 Er + 3 O 2 → 2 Er 2 O 3
Erb jest dość elektrododatni i reaguje powoli z zimną wodą i dość szybko z gorącą wodą, tworząc wodorotlenek erbu:
- 2 Er (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Er (OH) 3 (roztwór wodny) + 3 H 2 (g)
Metal erb reaguje ze wszystkimi halogenami:
- 2 Er (s) + 3 F 2 (g) → 2 ErF 3 (s) [różowy]
- 2 Er (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 ErCl 3 (s) [fioletowy]
- 2 Er (s) + 3 Br 2 (g) → 2 ErBr 3 (s) [fioletowy]
- 2 Er (s) + 3 I 2 (g) → 2 ErI 3 (s) [fioletowy]
Erb łatwo rozpuszcza się w rozcieńczonym kwasie siarkowym, tworząc roztwory zawierające uwodnione jony Er(III), które występują jako różowoczerwone kompleksy hydratacyjne [Er(OH 2 ) 9 ] 3+ :
- 2 Er (s) + 3 H 2 SO 4 (roztwór wodny) → 2 Er 3+ (roztwór wodny) + 3 SO2-
4(roztwór wodny) + 3 H 2 (g)
Izotopy
Naturalnie występujący erb składa się z 6 stabilnych izotopów ,162
Er
, 164
Er
, 166
Er
, 167
Er
, 168
Er
, i 170
Er
, z 166
Er
jest najliczniejsza (33,503% liczebność naturalna ). Scharakteryzowano 29 radioizotopów , z których najbardziej stabilny jest169
Er
z okresem półtrwania w9,4 dnia ,172
Er
z okresem półtrwania 49,3 godz. ,160
Er
z okresem półtrwania 28,58 godz. ,165
Er
z okresem półtrwania 10.36 godz. i171
Er
z okresem półtrwania 7,516 godz . Wszystkie pozostałe izotopy promieniotwórcze mają okresy półtrwania, które są mniejsze niż3,5 godziny , a większość z nich ma okres półtrwania krótszy niż 4 minuty. Ten pierwiastek ma również 13 stanów meta , z najbardziej stabilną istotą167m²
Er
z okresem półtrwania 2,269 s .
Izotopy erbu mieszczą się w zakresie masy atomowej od142.9663 u (143
Er
) do 176,9541 u (177
Er
). Pierwotny tryb rozpadu przed najbardziej obfitym stabilnym izotopem,166
Er
, to wychwytywanie elektronów , a głównym trybem po nim jest rozpad beta . Pierwotne produkty rozpadu przed166
Er
są izotopami pierwiastka 67 ( holm ), a podstawowymi produktami po nich są izotopy pierwiastka 69 ( tul ).
Historia
Erb (dla Ytterby , wioski w Szwecji ) został odkryty przez Carla Gustafa Mosandera w 1843 roku. Mosander pracował z próbką tego, co uważano za pojedynczy tlenek itru , pochodzącego z minerału gadolinitu . Odkrył, że próbka zawierała co najmniej dwa tlenki metali oprócz czystej itru, którą nazwał „ erbia ” i „ terbia ” na cześć wioski Ytterby, w której znaleziono gadolinit. Mosander nie był pewien czystości tlenków, a późniejsze testy potwierdziły jego niepewność. „ytria” zawierała nie tylko itr, erb i terb; w kolejnych latach chemicy, geolodzy i spektroskopiści odkryli pięć dodatkowych pierwiastków: iterb , skand , tul , holm i gadolin .
Erbia i terbia były jednak w tym czasie zdezorientowane. Spektroskopista błędnie zamienił nazwy dwóch pierwiastków podczas spektroskopii. Po 1860 r. terbia została przemianowana na erbia, a po 1877 r. to, co było znane jako erbia, zostało przemianowane na terbia. Dość czysty Er 2 O 3 został niezależnie wyizolowany w 1905 przez Georges Urbain i Charles James . Odpowiednio czystej erb metal nie był produkowany do 1934 przy Wilhelm Klemm i Heinrich Bommer zmniejsza bezwodnego chlorku z potasu pary. Dopiero w latach 90. cena tlenku erbu pochodzącego z Chin stała się na tyle niska, że można go było uznać za barwnik w szkle artystycznym.
Występowanie
Stężenie erbu w skorupie ziemskiej wynosi około 2,8 mg/kg, aw wodzie morskiej 0,9 ng/l. Ta koncentracja jest wystarczająca, aby wytworzyć erb około 45-ty w obfitości pierwiastków w skorupie ziemskiej .
Podobnie jak inne pierwiastki ziem rzadkich, ten pierwiastek nigdy nie występuje jako wolny pierwiastek w przyrodzie, ale występuje związany w piaskowych rudach monazytu . To historycznie były bardzo trudne i kosztowne do oddzielania pierwiastków ziem rzadkich od siebie, lecz ich rud jonowymienną metod chromatograficznych opracowanych w późnym wieku 20 znacznie obniżone koszty wytwarzania wszystkich metali ziem rzadkich i ich związki chemiczne .
Głównymi źródłami handlowymi erbu są minerały ksenotym i euksenit , a ostatnio glinki adsorpcyjne jonów z południowych Chin; w konsekwencji Chiny stały się obecnie głównym światowym dostawcą tego pierwiastka. W wysokoitrowych wersjach tych koncentratów, itr stanowi około dwóch trzecich całkowitej masy, a erbia wynosi około 4–5%. Po rozpuszczeniu koncentratu w kwasie erbia uwalnia wystarczającą ilość jonów erbu, aby nadać roztworowi wyraźny i charakterystyczny różowy kolor. To zachowanie koloru jest podobne do tego, co Mosander i inni wcześni robotnicy lantanowców mogli zobaczyć w swoich ekstraktach z minerałów gadolinitu z Ytterby.
Produkcja
Kruszone minerały są atakowane przez kwas solny lub siarkowy, który przekształca nierozpuszczalne tlenki metali ziem rzadkich w rozpuszczalne chlorki lub siarczany. Kwaśne filtraty są częściowo neutralizowane sodą kaustyczną (wodorotlenkiem sodu) do pH 3–4. Tor wytrąca się z roztworu jako wodorotlenek i jest usuwany. Następnie roztwór traktuje się szczawianem amonu w celu przekształcenia pierwiastków ziem rzadkich w ich nierozpuszczalne szczawiany . Szczawiany są przekształcane w tlenki przez wyżarzanie. Tlenki są rozpuszczane w kwasie azotowym, co wyklucza jeden z głównych składników, cer , którego tlenek jest nierozpuszczalny w HNO 3 . Roztwór traktuje się azotanem magnezu w celu wytworzenia skrystalizowanej mieszaniny soli podwójnych metali ziem rzadkich. Sole są rozdzielane przez wymianę jonową . W tym procesie jony metali ziem rzadkich są sorbowane na odpowiedniej żywicy jonowymiennej przez wymianę z jonami wodorowymi, amonowymi lub miedziowymi obecnymi w żywicy. Jony ziem rzadkich są następnie selektywnie wypłukiwane przez odpowiedni środek kompleksujący. Metaliczny erb otrzymuje się z jego tlenku lub soli przez ogrzewanie z wapniem w1450 °C w atmosferze argonu.
Aplikacje
Codzienne zastosowania Erbium są zróżnicowane. Jest powszechnie stosowany jako filtr fotograficzny , a ze względu na swoją sprężystość jest przydatny jako dodatek metalurgiczny.
Lasery i optyka
Wiele zastosowań medycznych (np. dermatologia, stomatologia) wykorzystuje jony erbu Emisja 2940 nm (patrz laser Er:YAG ), która jest silnie absorbowana w wodzie ( współczynnik absorpcji około12 000 /cm ). Takie płytkie odkładanie energii lasera w tkankach jest niezbędne w chirurgii laserowej, a wydajna produkcja pary do laserowej ablacji szkliwa w stomatologii.
Domieszkowane erbem optyczne włókna krzemionkowo-szklane są aktywnym elementem we wzmacniaczach światłowodowych domieszkowanych erbem (EDFA), które są szeroko stosowane w komunikacji optycznej . Z tych samych włókien można tworzyć lasery światłowodowe . Aby działać wydajnie, włókno domieszkowane erbem jest zwykle domieszkowane modyfikatorami/homogenizatorami szkła, często glinem lub fosforem. Te domieszki pomagają zapobiegać gromadzeniu się jonów Er i skuteczniej przenoszą energię między światłem wzbudzającym (znanym również jako pompa optyczna) a sygnałem. Domieszkowanie światłowodu Er i Yb jest stosowane w laserach światłowodowych Er/Yb dużej mocy . Erb może być również stosowany we wzmacniaczach falowodowych domieszkowanych erbem .
Metalurgia
Dodany do wanadu jako stopu , erb obniża twardość i poprawia urabialność. Stop erbowo- niklowy Er 3 Ni ma niezwykle wysoką pojemność cieplną właściwą w temperaturach ciekłego helu i jest stosowany w chłodnicach kriogenicznych ; mieszanina 65% Er 3 Co i 35% Er 0,9 Yb 0,1 Ni objętościowo poprawia jeszcze bardziej ciepło właściwe.
Kolorowanie
Tlenek erbu ma kolor różowy i jest czasami używany jako barwnik do szkła , cyrkonu i porcelany . Szkło jest następnie często używane w okularach przeciwsłonecznych i taniej biżuterii .
Inne
Erb jest stosowany w technologii jądrowej w prętach kontrolnych pochłaniających neutrony .
Rola biologiczna
Erb nie pełni roli biologicznej, ale sole erbu mogą stymulować metabolizm . Ludzie spożywają średnio 1 miligram erbu rocznie. Najwyższe stężenie erbu u ludzi występuje w kościach , ale jest też w nerkach i wątrobie człowieka .
Toksyczność
Erb jest lekko toksyczny w przypadku spożycia, ale związki erbu nie są toksyczne. Erb metaliczny w postaci pyłu stanowi zagrożenie pożarowe i wybuchowe.
Bibliografia
Dalsza lektura
- Guide to the Elements – Revised Edition , Albert Stwertka (Oxford University Press; 1998), ISBN 0-19-508083-1 .