Erbiu - Erbium
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Erbiu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pronunție |
/ Ɜːr b i ə m / |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aspect | alb argintiu | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Greutate atomică standard A r, std (Er) | 167,259 (3) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Erbiul în tabelul periodic | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Număr atomic ( Z ) | 68 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| grup | grup n / a | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Perioadă | perioada 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| bloc | blocul f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuratie electronica | [ Xe ] 4f 12 6s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electroni pe coajă | 2, 8, 18, 30, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Proprietăți fizice | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Faza la STP | solid | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punct de topire | 1802 K (1529 ° C, 2784 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punct de fierbere | 3141 K (2868 ° C, 5194 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Densitate (aproape rt ) | 9,066 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| când este lichid (la mp ) | 8,86 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Căldura de fuziune | 19,90 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Căldura de vaporizare | 280 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacitatea de căldură molară | 28,12 J / (mol · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Presiunea de vapori
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Proprietăți atomice | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stări de oxidare | 0, +1, +2, +3 (un oxid bazic ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electronegativitate | Scara Pauling: 1,24 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Energiile de ionizare | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Raza atomică | empiric: 176 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Raza covalentă | 189 ± 6 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Alte proprietăți | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Apariție naturală | primordial | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Structură cristalină | hexagonal strâns (hcp) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Viteza sunetului subțire | 2830 m / s (la 20 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Expansiunea termică | poli: 12,2 µm / (m⋅K) ( rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductivitate termică | 14,5 W / (m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rezistență electrică | poli: 0,860 µΩ⋅m ( rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ordinea magnetică | paramagnetic la 300 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Sensibilitate magnetică molară | +44 300 .00 × 10 −6 cm 3 / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Modulul lui Young | 69,9 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Modul de forfecare | 28,3 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Modul în vrac | 44,4 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Raportul Poisson | 0,237 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Duritatea Vickers | 430–700 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Duritatea Brinell | 600–1070 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Numar CAS | 7440-52-0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Istorie | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Denumire | după Ytterby (Suedia), unde a fost exploatat | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Descoperire | Carl Gustaf Mosander (1843) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Principalii izotopi ai erbiului | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Erbiul este un element chimic cu simbolul Er și numărul atomic 68. Un metal solid alb-argintiu atunci când este izolat artificial, erbiul natural se găsește întotdeauna în combinație chimică cu alte elemente. Este o lantanidă , un element de pământ rar , găsit inițial în mina gadolinită din Ytterby , Suedia , care este sursa numelui elementului.
Principalele utilizări ale Erbium implică ionii săi de culoare roz Er 3+ , care au proprietăți optice fluorescente deosebit de utile în anumite aplicații cu laser. Paharele sau cristalele dopate cu erbiu pot fi utilizate ca medii de amplificare optică, unde ionii Er 3+ sunt pompați optic în jurul valorii de 980 sau1480 nm și apoi radiază lumină laEmisie stimulată de 1530 nm . Acest proces are ca rezultat un amplificator optic laser neobișnuit de simplu mecanic pentru semnale transmise prin fibră optică. Lungimea de undă de 1550 nm este deosebit de importantă pentru comunicațiile optice, deoarece fibrele optice standard cu mod unic au pierderi minime la această lungime de undă specială.
Pe lângă amplificatoarele-laser cu fibră optică, o mare varietate de aplicații medicale (de exemplu, dermatologie, stomatologie) se bazează pe ionii de erbiu Emisie de 2940 nm (vezi laserul Er: YAG ) atunci când este aprins la o altă lungime de undă, care este foarte absorbită în apă în țesuturi, făcând efectul său foarte superficial. O astfel de depunere a țesutului superficial de energie laser este utilă în chirurgia cu laser și pentru producerea eficientă a aburului care produce ablația smalțului de către tipurile comune de laser dentar .
Caracteristici
Proprietăți fizice
chloride_sunlight.jpg)
Un element trivalent , metalul erbiu pur este maleabil (sau ușor de modelat), moale, dar stabil în aer și nu se oxidează la fel de repede ca și alte metale din pământurile rare . Sărurile sale sunt de culoare trandafir, iar elementul are benzi caracteristice spectrale de absorbție ascuțite în lumină vizibilă , ultravioletă și aproape în infraroșu . În caz contrar, seamănă mult cu celelalte pământuri rare. Sesquioxidul său se numește erbia . Proprietățile Erbiului sunt într-o anumită măsură dictate de tipul și cantitatea de impurități prezente. Erbiul nu joacă niciun rol biologic cunoscut, dar se crede că poate stimula metabolismul .
Erbiul este feromagnetic sub 19 K, antiferomagnetic între 19 și 80 K și paramagnetic peste 80 K.
Erbiul poate forma grupuri atomice în formă de elice Er 3 N, unde distanța dintre atomii de erbiu este de 0,35 nm. Acele clustere pot fi izolate prin încapsularea lor în molecule de fuleren , după cum se confirmă prin microscopie electronică de transmisie .
Proprietăți chimice
Erbiul metalic își păstrează luciul în aer uscat, totuși se va păni încet în aerul umed și arde ușor pentru a forma oxid de erbiu (III) :
- 4 Er + 3 O 2 → 2 Er 2 O 3
Erbiul este destul de electropozitiv și reacționează încet cu apa rece și destul de repede cu apa fierbinte pentru a forma hidroxid de erbiu:
- 2 Er (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Er (OH) 3 (aq) + 3 H 2 (g)
Erbiul metalic reacționează cu toți halogenii:
- 2 Er (s) + 3 F 2 (g) → 2 ErF 3 (s) [roz]
- 2 Er (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 ErCl 3 (s) [violet]
- 2 Er (s) + 3 Br 2 (g) → 2 ErBr 3 (s) [violet]
- 2 Er (s) + 3 I 2 (g) → 2 ErI 3 (s) [violet]
Erbiul se dizolvă ușor în acid sulfuric diluat pentru a forma soluții care conțin ioni Er (III) hidrați, care există sub formă de roșu trandafir [Er (OH 2 ) 9 ] 3+ complexe de hidratare:
- 2 Er (s) + 3 H 2 SO 4 (aq) → 2 Er 3+ (aq) + 3 SO2−
4(aq) + 3 H 2 (g)
Izotopi
Erbiul natural este compus din 6 izotopi stabili ,162
Er
, 164
Er
, 166
Er
, 167
Er
, 168
Er
, și 170
Er
, cu 166
Er
fiind cea mai abundentă (33.503% abundență naturală ). Au fost caracterizați 29 de radioizotopi , cea mai stabilă fiind169
Er
cu un timp de înjumătățire de9,4 zile ,172
Er
cu un timp de înjumătățire de 49,3 h ,160
Er
cu un timp de înjumătățire de 28,58 h ,165
Er
cu un timp de înjumătățire de 10,36 h și171
Er
cu un timp de înjumătățire de 7.516 h . Toți restul izotopilor radioactivi au timp de înjumătățire mai mic de3,5 h , iar majoritatea acestora au timp de înjumătățire mai mic de 4 minute. Acest element are și 13 meta-stări , cea mai stabilă fiind167m
Er
cu un timp de înjumătățire de 2.269 s .
Izotopii erbiului variază în greutatea atomică de la142.9663 u (143
Er
) la 176.9541 u (177
Er
). Modul de descompunere primar înainte de cel mai abundent izotop stabil,166
Er
, este captarea electronilor , iar modul principal după acesta este decăderea beta . Produsele primare de degradare înainte166
Er
sunt izotopi ai elementului 67 ( holmiu ), iar produsele primare sunt izotopii elementului 69 ( tuliu ).
Istorie
Erbiul (pentru Ytterby , un sat din Suedia ) a fost descoperit de Carl Gustaf Mosander în 1843. Mosander lucra cu un eșantion din ceea ce se credea a fi un singur oxid metalic yttria , derivat din mineralul gadolinit . El a descoperit că proba conținea cel puțin doi oxizi metalici în plus față de yttria pură, pe care a numit-o „ erbia ” și „ terbia ” după satul Ytterby unde fusese găsită gadolinita. Mosander nu era sigur de puritatea oxizilor, iar testele ulterioare i-au confirmat incertitudinea. „Yttria” nu numai că conținea itriu, erbiu și terbiu; în anii următori, chimiștii, geologii și spectroscopiștii au descoperit cinci elemente suplimentare: itterbiu , scandiu , tuliu , holmiu și gadoliniu .
Cu toate acestea, Erbia și terbia erau confuze în acest moment. Un spectroscopist a schimbat în mod eronat numele celor două elemente în timpul spectroscopiei. După 1860, terbia a fost redenumită erbia și după 1877 ceea ce fusese cunoscut sub numele de erbia a fost redenumit terbia. Destul de pur Er 2 O 3 a fost izolat independent în 1905 de Georges Urbain și Charles James . Erbiu metalic în mod rezonabil pur nu a fost produs decât în 1934 când Wilhelm Klemm și Heinrich Bommer au redus clorura anhidră cu vapori de potasiu . Abia în anii 1990, prețul oxidului de erbiu derivat din China a devenit suficient de scăzut pentru ca erbiul să fie luat în considerare pentru a fi utilizat ca colorant în sticla de artă.
Apariție
Concentrația de erbiu în scoarța terestră este de aproximativ 2,8 mg / kg și în apa mării de 0,9 ng / L. Această concentrație este suficientă pentru a face erbiul aproximativ 45 în abundență elementară în scoarța Pământului .
La fel ca alte pământuri rare, acest element nu se găsește niciodată ca un element liber în natură, ci se găsește legat în minereuri de nisip monazit . Din punct de vedere istoric, a fost foarte dificil și costisitor separarea pământurilor rare una de cealaltă în minereurile lor, dar metodele de cromatografie cu schimb de ioni dezvoltate la sfârșitul secolului al XX-lea au redus considerabil costurile de producție ale tuturor metalelor pământurilor rare și ale compușilor lor chimici .
Principalele surse comerciale de erbiu provin din mineralele xenotime și euxenită , iar cel mai recent, argile de adsorbție ionică din sudul Chinei; în consecință, China a devenit acum principalul furnizor global al acestui element. În versiunile cu yttru ridicat ale acestor concentrate de minereu, itriul este de aproximativ două treimi din total în greutate, iar erbia este de aproximativ 4-5%. Când concentratul este dizolvat în acid, erbia eliberează suficient ion de erbiu pentru a conferi soluției o culoare roz distinctă și caracteristică. Acest comportament de culoare este similar cu ceea ce Mosander și ceilalți lucrători timpurii din lantanide ar fi văzut în extrasele lor din mineralele gadolinite din Ytterby.
Producție
Mineralele zdrobite sunt atacate de acidul clorhidric sau sulfuric care transformă oxizii de pământuri rare insolubili în cloruri sau sulfați solubili. Filtratele acide sunt parțial neutralizate cu sodă caustică (hidroxid de sodiu) la pH 3-4. Toriu precipită din soluție sub formă de hidroxid și este îndepărtat. După aceea, soluția este tratată cu oxalat de amoniu pentru a transforma pământurile rare în oxalații lor insolubili . Oxalații sunt transformați în oxizi prin recoacere. Oxizii se dizolvă în acid azotic , care exclude una din componentele principale, ceriu , al cărui oxid este insolubil în HNO 3 . Soluția este tratată cu azotat de magneziu pentru a produce un amestec cristalizat de săruri duble de metale din pământurile rare. Sărurile sunt separate prin schimb de ioni . În acest proces, ionii de pământuri rare sunt absorbiți pe rășină de schimb ionic adecvată prin schimb cu ioni de hidrogen, amoniu sau cuprici prezenți în rășină. Ionii de pământ rar sunt apoi spălați selectiv de un agent de complexare adecvat. Erbiul metalic se obține din oxidul sau sărurile sale prin încălzirea cu calciu la1450 ° C sub atmosferă de argon.
Aplicații
Utilizările zilnice ale Erbium sunt variate. Este utilizat în mod obișnuit ca filtru fotografic și, datorită rezistenței sale, este util ca aditiv metalurgic.
Lasere și optică
O mare varietate de aplicații medicale (de exemplu, dermatologie, stomatologie) utilizează ionii de erbiu Emisie de 2940 nm (vezi laserul Er: YAG ), care este puternic absorbit în apă ( coeficient de absorbție aproximativ12 000 / cm ). O astfel de depunere a țesutului superficial de energie laser este necesară pentru chirurgia laser și producerea eficientă de abur pentru ablația smalțului laser în stomatologie.
Erbiu-dopate fibre optice silica sticlă sunt elementul activ în amplificatoare cu fibre dopate cu erbiu (EDFAs), care sunt utilizate pe scară largă în comunicațiile optice . Aceleași fibre pot fi folosite pentru a crea lasere cu fibre . Pentru a funcționa eficient, fibra dopată cu erbiu este de obicei co-dopată cu modificatori / omogenizatori de sticlă, adesea aluminiu sau fosfor. Acești dopanți ajută la prevenirea grupării ionilor Er și la transferul energiei mai eficient între lumina de excitație (cunoscută și sub numele de pompă optică) și semnal. Co-dopajul fibrelor optice cu Er și Yb este utilizat în laserele cu fibră Er / Yb de mare putere . Erbiul poate fi utilizat și în amplificatoarele de ghid de undă dopate cu erbiu .
Metalurgie
Când este adăugat la vanadiu ca aliaj , erbiul scade duritatea și îmbunătățește lucrabilitatea. Un aliaj de erbiu- nichel Er 3 Ni are o capacitate de căldură specifică neobișnuit de mare la temperaturi lichid-heliu și este utilizat în criocoolere ; un amestec de 65% Er 3 Co și 35% Er 0,9 Yb 0,1 Ni în volum îmbunătățește și mai mult capacitatea de căldură specifică.
Colorare
Oxidul de erbiu are o culoare roz și este uneori folosit ca colorant pentru sticlă , zirconiu cub și porțelan . Sticla este apoi adesea folosită în ochelari de soare și bijuterii ieftine .
Alții
Erbiul este utilizat în tehnologia nucleară în tije de control care absorb absorbția de neutroni .
Rolul biologic
Erbiul nu are un rol biologic, dar sărurile de erbiu pot stimula metabolismul . Oamenii consumă în medie 1 miligram de erbiu pe an. Cea mai mare concentrație de erbiu la om este în oase , dar există și erbiu în rinichi și ficat .
Toxicitate
Erbiul este ușor toxic dacă este ingerat, dar compușii erbiului nu sunt toxici. Erbiul metalic sub formă de praf prezintă un pericol de incendiu și explozie.
Referințe
Lecturi suplimentare
- Ghid pentru elemente - Ediție revizuită , Albert Stwertka (Oxford University Press; 1998), ISBN 0-19-508083-1 .