Эрбий — химический элемент ; он имеет символ Er и атомный номер 68. Серебристо-белый [7] твердый металл, когда искусственно изолирован, природный эрбий всегда находится в химическом соединении с другими элементами. Это лантаноид , редкоземельный элемент , первоначально найденный в гадолинитовой шахте в Иттербю , Швеция , что является источником названия элемента.
Основное применение эрбия связано с его розовыми ионами Er 3+ , которые обладают оптическими флуоресцентными свойствами, особенно полезными в некоторых лазерных приложениях. Стекла или кристаллы, легированные эрбием, могут использоваться в качестве оптических усилительных сред, где ионы Er 3+ оптически накачиваются при температуре около 980 или1480 нм , а затем излучают свет на1530 нм в вынужденном излучении. Этот процесс приводит к необычайно простому в механическом отношении лазерному оптическому усилителю для сигналов, передаваемых по волоконной оптике.Длина волны 1550 нм особенно важна для оптической связи , поскольку стандартные одномодовые оптические волокна имеют минимальные потери именно на этой длине волны.
Помимо волоконно-оптических усилителей-лазеров, широкий спектр медицинских приложений (например, дерматология, стоматология) полагаются на ионы эрбия.Излучение 2940 нм (см. Er:YAG лазер ) при освещении на другой длине волны, которая сильно поглощается водой в тканях, что делает его воздействие очень поверхностным. Такое поверхностное осаждение лазерной энергии на ткани полезно в лазерной хирургии и для эффективного производства пара, который производит абляцию эмали обычными типами стоматологических лазеров .
Трехвалентный элемент, чистый металл эрбий является ковким (или легко формуемым), мягким , но стабильным на воздухе и не окисляется так быстро, как некоторые другие редкоземельные металлы . Его соли имеют розовый цвет, и элемент имеет характерные резкие полосы спектра поглощения в видимом свете , ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазоне . [8] В остальном он очень похож на другие редкоземельные элементы. Его полуторный оксид называется эрбием . Свойства эрбия в некоторой степени определяются видом и количеством присутствующих примесей. Эрбий не играет никакой известной биологической роли, но считается, что он способен стимулировать метаболизм . [9]
Эрбий является ферромагнитным металлом ниже 19 К, антиферромагнитным металлом между 19 и 80 К и парамагнитным металлом выше 80 К. [10]
Эрбий может образовывать атомные кластеры в форме пропеллера Er 3 N, где расстояние между атомами эрбия составляет 0,35 нм. Эти кластеры могут быть изолированы путем инкапсуляции их в молекулы фуллерена , что подтверждается просвечивающей электронной микроскопией . [11]
Как и большинство редкоземельных элементов , эрбий обычно находится в степени окисления +3. Однако эрбий также может находиться в степенях окисления 0, +1 и +2 [12] .
Металлический эрбий сохраняет свой блеск в сухом воздухе, однако медленно тускнеет во влажном воздухе и легко сгорает, образуя оксид эрбия (III) : [9]
Эрбий весьма электроположителен и медленно реагирует с холодной водой и довольно быстро с горячей водой, образуя гидроксид эрбия: [13]
Металлический эрбий реагирует со всеми галогенами: [14]
Эрбий легко растворяется в разбавленной серной кислоте , образуя растворы, содержащие гидратированные ионы Er(III), которые существуют в виде розово-красных гидратных комплексов [Er(OH 2 ) 9 ] 3+ : [14]
Встречающийся в природе эрбий состоит из 6 стабильных изотопов : 162 Er, 164 Er, 166 Er, 167 Er, 168 Er и 170 Er, причем 166 Er является наиболее распространенным (33,503% естественного содержания ). Было охарактеризовано 32 радиоизотопа , наиболее стабильным из которых является 169 Er с периодом полураспада9,392 дня , 172 Эр с периодом полураспада49,3 ч , 160 Эр с периодом полураспада28,58 ч , 165 Эр с периодом полураспада10,36 ч и 171 Er с периодом полураспада7,516 ч . Все остальные радиоактивные изотопы имеют периоды полураспада менее3,5 ч , и большинство из них имеют период полураспада менее 4 минут. Этот элемент также имеет 26 метасостояний , наиболее стабильным из которых является 149m Er с периодом полураспада8,9 с . [6]
Изотопы эрбия находятся в диапазоне от 143 Er до 180 Er. Первичный режим распада до наиболее распространенного стабильного изотопа 166 Er — это электронный захват , а первичный режим после — бета-распад . Первичные продукты распада до 166 Er — это изотопы элемента 67 ( гольмия ), а первичные продукты после — изотопы элемента 69 ( тулия ). [6]
165 Er был идентифицирован как полезный для использования в Оже-терапии , поскольку он распадается посредством захвата электронов и не испускает гамма-излучения . Он также может быть использован в качестве радиоактивного индикатора для маркировки антител и пептидов , хотя его нельзя обнаружить с помощью какой-либо визуализации для изучения его биологического распределения. Изотоп может быть получен посредством бомбардировки 166 Er с 165 Tm или 165 Er с 165 Ho , последний из которых более удобен, поскольку 165 Ho является стабильным первичным изотопом , хотя для этого требуется начальный запас 165 Er. [15]
Оксид эрбия (III) (также известный как эрбия) является единственным известным оксидом эрбия, впервые выделенным Карлом Густавом Мосандером в 1843 году и впервые полученным в чистом виде в 1905 году Жоржем Урбеном и Чарльзом Джеймсом . [16] Он имеет кубическую структуру, напоминающую мотив биксбиита . Центры Er 3+ являются октаэдрическими. [17] Образование оксида эрбия достигается путем сжигания металлического эрбия, [9] оксалата эрбия или других оксикислотных солей эрбия. [18] Оксид эрбия нерастворим в воде и слабо растворим в нагретых минеральных кислотах. Это розовое соединение используется в качестве активатора фосфора и для производства стекла, поглощающего инфракрасное излучение. [18]
Фторид эрбия(III) представляет собой розоватый порошок [19] , который может быть получен путем реакции нитрата эрбия(III) и фторида аммония . [20] Его можно использовать для изготовления материалов, пропускающих инфракрасный свет [21] и люминесцентных материалов с повышающей конверсией [22] , и он является промежуточным продуктом в производстве металлического эрбия перед его восстановлением кальцием. [18] Хлорид эрбия(III) представляет собой фиолетовое соединение, которое может быть образовано путем первого нагревания оксида эрбия(III) и хлорида аммония для получения аммониевой соли пентахлорида ([NH 4 ] 2 ErCl 5 ), а затем нагревания его в вакууме при температуре 350-400 °C. [23] [24] [25] Он образует кристаллы типа AlCl 3 с моноклинными кристаллами и точечной группой C 2/m. [26] Гексагидрат хлорида эрбия (III) также образует моноклинные кристаллы с точечной группой P 2/ n ( P 2/ c ) - C 4 2h . В этом соединении эрбий октакоординирован с образованием ионов [Er(H 2 O) 6 Cl 2 ] + с изолированным Cl − , завершая структуру. [27]
Бромид эрбия (III) — это фиолетовое твердое вещество. Он используется, как и другие соединения бромида металла, в очистке воды, химическом анализе и для некоторых применений роста кристаллов. [28] Иодид эрбия (III) [29] — это слегка розовое соединение, нерастворимое в воде. Его можно получить путем прямой реакции эрбия с иодом . [30]
Эрбийорганические соединения очень похожи на соединения других лантаноидов , поскольку все они неспособны подвергаться π-связыванию . Таким образом, они в основном ограничены в основном ионными циклопентадиенидами (изоструктурными с циклопентадиенидами лантана) и σ-связанными простыми алкилами и арилами, некоторые из которых могут быть полимерными. [31]
Эрбий (от Иттербю , деревни в Швеции ) был открыт Карлом Густавом Мосандером в 1843 году. [32] Мосандер работал с образцом того, что считалось единственным оксидом металла иттрия , полученным из минерала гадолинита . Он обнаружил, что образец содержал по крайней мере два оксида металлов в дополнение к чистому иттрию, которые он назвал « erbia » и « terbia » в честь деревни Иттербю, где был найден гадолинит. Мосандер не был уверен в чистоте оксидов, и более поздние тесты подтвердили его неуверенность. «Иттрий» содержал не только иттрий, эрбий и тербий; в последующие годы химики, геологи и спектроскописты открыли пять дополнительных элементов: иттербий , скандий , тулий , гольмий и гадолиний . [33] : 701 [34] [35] [36] [37] [38]
Однако в то время Erbia и terbia путали. Марк Делафонтен , швейцарский спектроскопист, ошибочно перепутал названия двух элементов в своей работе по разделению оксидов erbia и terbia. После 1860 года terbia был переименован в erbia, а после 1877 года то, что было известно как erbia, было переименовано в terbia. [39] Достаточно чистый Er 2 O 3 был независимо выделен в 1905 году Жоржем Урбеном и Шарлем Джеймсом . Достаточно чистый металлический эрбий не был получен до 1934 года, когда Вильгельм Клемм и Генрих Боммер восстановили безводный хлорид парами калия . [40] [9]
Концентрация эрбия в земной коре составляет около 2,8 мг/кг, а в морской воде — 0,9 нг/л. [41] (Концентрация менее распространенных элементов может варьироваться в зависимости от местоположения на несколько порядков [42], что делает относительное содержание ненадежным). Как и другие редкоземельные элементы, этот элемент никогда не встречается в природе в свободном виде, но встречается в рудах монацита и бастнезита . [9] Исторически было очень сложно и дорого отделять редкоземельные элементы друг от друга в их рудах, но методы ионообменной хроматографии [43], разработанные в конце 20-го века, значительно снизили стоимость производства всех редкоземельных металлов и их химических соединений . [ необходима ссылка ]
Основными коммерческими источниками эрбия являются минералы ксенотим и эвксенит , а в последнее время ионы адсорбционных глин южного Китая. Следовательно, Китай теперь стал основным мировым поставщиком этого элемента. [44] В версиях этих рудных концентратов с высоким содержанием иттрия иттрий составляет около двух третей от общего веса, а эрбия - около 4-5%. Когда концентрат растворяется в кислоте, эрбия высвобождает достаточно ионов эрбия, чтобы придать раствору отчетливый и характерный розовый цвет. Такое поведение цвета похоже на то, что Мосандер и другие ранние исследователи лантаноидов видели в своих экстрактах из гадолинитовых минералов Иттербю. [ необходима цитата ]
Измельченные минералы подвергаются воздействию соляной или серной кислоты , которая преобразует нерастворимые оксиды редкоземельных металлов в растворимые хлориды или сульфаты. Кислые фильтраты частично нейтрализуются едким натром (гидроксидом натрия) до pH 3–4. Торий осаждается из раствора в виде гидроксида и удаляется. После этого раствор обрабатывается оксалатом аммония для преобразования редкоземельных металлов в их нерастворимые оксалаты . Оксалаты преобразуются в оксиды путем отжига. Оксиды растворяются в азотной кислоте , которая исключает один из основных компонентов, церий , оксид которого нерастворим в HNO 3 . Раствор обрабатывается нитратом магния для получения кристаллизованной смеси двойных солей редкоземельных металлов. Соли разделяются ионным обменом . В этом процессе ионы редкоземельных металлов сорбируются на подходящей ионообменной смоле путем обмена с ионами водорода, аммония или меди, присутствующими в смоле. Затем ионы редкоземельных металлов выборочно вымываются подходящим комплексообразующим агентом. [41] Металлический эрбий получают из его оксида или солей путем нагревания с кальцием при1450 °C в атмосфере аргона. [41]
Ионы эрбия используются в самых разных областях медицины (например, в дерматологии, стоматологии).Излучение 2940 нм (см. Er:YAG лазер ), которое сильно поглощается водой ( коэффициент поглощения около12 000 /см2 ). Такое поверхностное осаждение лазерной энергии на ткани необходимо для лазерной хирургии и эффективного производства пара для лазерной абляции эмали в стоматологии. [45] Обычные области применения эрбиевых лазеров в стоматологии включают керамическую косметическую стоматологию и удаление брекетов в ортодонтических скобках ; такие лазерные приложения были отмечены как более эффективные по времени, чем выполнение тех же процедур с помощью вращающихся стоматологических инструментов . [46]
Оптические кварцевые волокна, легированные эрбием, являются активным элементом в усилителях на основе волокон эрбия (EDFA), которые широко используются в оптической связи . [47] Те же волокна могут быть использованы для создания волоконных лазеров . Для эффективной работы волокно, легированное эрбием, обычно легируется 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 Er/Yb. Эрбий также может использоваться в усилителях волноводов, легированных эрбием . [9]
При добавлении в ванадий в качестве сплава эрбий снижает твердость и улучшает обрабатываемость. [48] Сплав эрбия с никелем Er 3 Ni имеет необычайно высокую удельную теплоемкость при температурах жидкого гелия и используется в криоохладителях ; смесь 65% Er 3 Co и 35% Er 0,9 Yb 0,1 Ni по объему еще больше улучшает удельную теплоемкость. [49] [50]
Оксид эрбия имеет розовый цвет и иногда используется в качестве красителя для стекла , кубического циркония и фарфора . Стекло затем часто используется в солнцезащитных очках и ювелирных изделиях , [9] [48] [51] или там, где требуется поглощение инфракрасного излучения. [18]
Эрбий используется в ядерной технологии в стержнях управления, поглощающих нейтроны . [9] [52] или как выгорающий яд в конструкции ядерного топлива. [53]
Эрбий не имеет биологической роли, но соли эрбия могут стимулировать метаболизм . Люди потребляют в среднем 1 миллиграмм эрбия в год. Самая высокая концентрация эрбия у людей находится в костях , но эрбий также есть в почках и печени человека . [9]
Эрбий слегка токсичен при попадании внутрь, но соединения эрбия, как правило, нетоксичны. [9] Ионный эрбий ведет себя подобно ионному кальцию и может потенциально связываться с белками, такими как кальмодулин . При попадании в организм нитраты эрбия, подобно другим нитратам редкоземельных металлов, повышают уровень триглицеридов в печени и вызывают утечку печеночных (связанных с печенью) ферментов в кровь, хотя они уникально (наряду с нитратами гадолиния и диспрозия) повышают активность РНК-полимеразы II . [54] Проглатывание [55] и вдыхание [56] являются основными путями воздействия эрбия и других редкоземельных металлов, поскольку они не диффундируют через неповрежденную кожу. [54]
Металлический эрбий в виде пыли представляет опасность пожара и взрыва. [57] [58] [59]
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)