Эрбий — химический элемент ; он имеет символ Er и атомный номер 68. Серебристо-белый [6] твердый металл, когда его искусственно выделяют, природный эрбий всегда находится в химическом сочетании с другими элементами. Это лантанид , редкоземельный элемент , первоначально обнаруженный в гадолинитовом руднике в Иттерби , Швеция , что и послужило источником названия элемента.
Основное применение эрбия связано с его ионами Er 3+ розового цвета , которые обладают оптическими флуоресцентными свойствами, особенно полезными в некоторых лазерных приложениях. В качестве оптической усиливающей среды можно использовать стекла или кристаллы, легированные эрбием, в которых ионы Er 3+ подвергаются оптической накачке при температуре около 980 или 980°С.1480 нм , а затем излучают свет при1530 нм в вынужденном излучении. Результатом этого процесса является необычайно простой в механике лазерный оптический усилитель сигналов, передаваемых по оптоволокну. Длина волны 1550 нм особенно важна для оптической связи , поскольку стандартные одномодовые оптические волокна имеют минимальные потери на этой конкретной длине волны.
Помимо волоконно-оптических усилителей-лазеров, большое количество медицинских применений (например, дерматология, стоматология) основано на использовании ионов эрбия.Эмиссия 2940 нм (см. Er:YAG-лазер ) при освещении другой длиной волны, которая сильно поглощается водой в тканях, что делает ее эффект очень поверхностным. Такое поверхностное осаждение лазерной энергии в тканях полезно в лазерной хирургии , а также для эффективного производства пара, который производит абляцию эмали обычными типами стоматологических лазеров .
Трехвалентный элемент, чистый металлический эрбий , пластичен (или легко формуется), мягок, но стабилен на воздухе и не окисляется так быстро , как некоторые другие редкоземельные металлы . Его соли имеют розовый цвет, а элемент имеет характерные резкие полосы спектра поглощения в видимом свете , ультрафиолете и ближнем инфракрасном диапазоне . [7] В остальном он очень похож на другие редкоземельные элементы. Его полуторный оксид называется эрбией . Свойства эрбия в некоторой степени определяются видом и количеством присутствующих примесей. Эрбий не играет никакой известной биологической роли, но считается, что он способен стимулировать обмен веществ . [8]
Эрбий ферромагнитен при температуре ниже 19 К, антиферромагнитен при температуре от 19 до 80 К и парамагнитен при температуре выше 80 К. [9]
Эрбий может образовывать атомные кластеры Er 3 N пропеллерной формы , где расстояние между атомами эрбия составляет 0,35 нм. Эти кластеры можно изолировать, инкапсулировав их в молекулы фуллеренов , что подтверждено просвечивающей электронной микроскопией . [10]
Как и большинство редкоземельных элементов , эрбий обычно находится в степени окисления +3. Однако эрбий также может находиться в степенях окисления 0, +1 и +2.
Металлический эрбий сохраняет свой блеск в сухом воздухе, однако медленно тускнеет во влажном воздухе и легко горит с образованием оксида эрбия (III) : [11]
Эрбий весьма электроположителен и медленно реагирует с холодной водой и довольно быстро с горячей водой с образованием гидроксида эрбия: [12]
Металлический эрбий реагирует со всеми галогенами: [13]
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+ : [13]
Природный эрбий состоит из шести стабильных изотопов .162
Эр
,164
Эр
,166
Эр
,167
Эр
,168
Эр
, и170
Эр
, с166
Эр
является самым многочисленным (33,503% естественной численности ). Охарактеризовано 29 радиоизотопов , наиболее стабильным из которых является169
Эр
с периодом полураспада9,4 д ,172
Эр
с периодом полураспада49,3 ч .,160
Эр
с периодом полураспада28.58 ч. ,165
Эр
с периодом полураспада10.36 ч. , и171
Эр
с периодом полураспада7.516 ч . Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее3,5 часа , и большинство из них имеют период полураспада менее 4 минут. Этот элемент также имеет 13 метасостояний , наиболее стабильным из которых является167 м
Эр
с периодом полураспада2,269 с . [14]
Атомный вес изотопов эрбия варьируется от142,9663 ед (143
Эр
) к176,9541 ед (177
Эр
). Первичный режим распада перед наиболее распространенным стабильным изотопом,166
Эр
, является захватом электрона , а основной модой после него является бета-распад . Первичные продукты распада до166
Эр
являются изотопами элемента 67 ( гольмий ), а первичными продуктами после него являются изотопы элемента 69 ( тулий ). [14]
Оксид эрбия(III) (также известный как эрбия) — единственный известный оксид эрбия, впервые выделенный Карлом Густавом Мосандером в 1843 году и впервые полученный в чистом виде в 1905 году Жоржем Урбеном и Чарльзом Джеймсом . [15] Он имеет кубическую структуру, напоминающую мотив биксбита . Центры Er 3+ имеют октаэдрическую форму. [16] Образование оксида эрбия осуществляется путем сжигания металлического эрбия. [17] Оксид эрбия нерастворим в воде и растворим в минеральных кислотах.
Фторид эрбия(III) представляет собой розоватый порошок [18] , который можно получить реакцией нитрата эрбия(III) и фторида аммония . [19] Его можно использовать для изготовления материалов, передающих инфракрасный свет [20] и люминесцентных материалов с повышающим преобразованием. [21] Хлорид эрбия(III) представляет собой фиолетовое соединение, которое может быть образовано путем нагревания оксида эрбия(III) и хлорида аммония с получением аммониевой соли пентахлорида ([NH 4 ] 2 ErCl 5 ), а затем нагревания ее в вакууме. при 350-400°С. [22] [23] [24] Образует кристаллы типа AlCl 3 с моноклинными кристаллами и точечной группой C 2/m. [25] Гексагидрат хлорида эрбия(III) также образует моноклинные кристаллы с точечной группой P 2/ n ( P 2/ c ) - C 4 2h . В этом соединении эрбий окта-координирован с образованием ионов [Er(H 2 O) 6 Cl 2 ] + с изолированным Cl −, завершающим структуру. [26]
Бромид эрбия(III) представляет собой твердое вещество фиолетового цвета. Он используется, как и другие соединения бромида металла, при очистке воды, химическом анализе и для некоторых целей выращивания кристаллов. [27] Йодид эрбия(III) [28] представляет собой соединение слегка розового цвета, нерастворимое в воде. Его можно получить путем прямой реакции эрбия с йодом . [29]
Эрбийорганические соединения очень похожи на соединения других лантаноидов , поскольку все они неспособны подвергаться π-связям . Таким образом, они в основном ограничиваются в основном ионными циклопентадиенидами (изоструктурными с таковыми лантана) и простыми алкилами и арилами с σ-связью, некоторые из которых могут быть полимерными. [30]
Эрбий (от Иттербю , деревни в Швеции ) был обнаружен Карлом Густавом Мосандером в 1843 году . [31] Мосандер работал с образцом того, что считалось единым оксидом металла иттрия , полученным из минерала гадолинита . Он обнаружил, что образец содержал по крайней мере два оксида металлов в дополнение к чистому иттрию, который он назвал « эрбия » и « тербия » в честь деревни Иттерби, 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 . [32] : 701 [33] [34] [35] [36] [37]
Однако в это время Эрбия и Тербия перепутались. Спектроскопист по ошибке поменял названия двух элементов во время спектроскопии. После 1860 года тербия была переименована в эрбию, а после 1877 года то, что раньше было известно как эрбия, было переименовано в тербию. Довольно чистый Er 2 O 3 был независимо выделен в 1905 году Жоржем Урбеном и Чарльзом Джеймсом . Достаточно чистый металлический эрбий не производился до 1934 года, когда Вильгельм Клемм и Генрих Боммер восстановили безводный хлорид парами калия . [38] Только в 1990-х годах цена на оксид эрбия китайского производства стала достаточно низкой, чтобы эрбий можно было рассматривать для использования в качестве красителя в художественном стекле. [39]
Концентрация эрбия в земной коре составляет около 2,8 мг/кг, а в морской воде — 0,9 нг/л. [40] Эрбий является 44-м по распространенности элементом в земной коре, его содержание составляет около 3,0–3,8 частей на миллион.
Как и другие редкоземельные элементы, этот элемент никогда не встречается в природе в свободном виде, а встречается в связанном виде в монацитовых песчаных рудах. Исторически отделить редкоземельные металлы друг от друга в рудах было очень сложно и дорого, но методы ионообменной хроматографии [41] , разработанные в конце 20 века, значительно удешевили производство всех редкоземельных металлов и их химических соединений. .
Основными коммерческими источниками эрбия являются минералы ксенотим и эвксенит , а в последнее время - ионно-адсорбционные глины южного Китая. Следовательно, Китай теперь стал основным мировым поставщиком этого элемента. [42] В версиях этих рудных концентратов с высоким содержанием иттрия иттрий составляет около двух третей от общего веса, а эрбия составляет около 4–5%. Когда концентрат растворяется в кислоте, эрбия высвобождает достаточно ионов эрбия, чтобы придать раствору отчетливый и характерный розовый цвет. Такое цветовое поведение похоже на то, что Мосандер и другие первые исследователи лантаноидов видели в своих экстрактах из гадолинитовых минералов Иттерби.
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 (гидроксидом натрия) до pH 3–4. Торий выпадает в осадок из раствора в виде гидроксида и удаляется. После этого раствор обрабатывают оксалатом аммония для перевода редкоземельных элементов 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 с получением кристаллизованной смеси двойных солей редкоземельных металлов. Соли разделяются ионным обменом . В этом процессе ионы редкоземельных элементов сорбируются подходящей ионообменной смолой путем обмена с ионами водорода, аммония или меди, присутствующими в смоле. Затем редкоземельные ионы избирательно вымываются подходящим комплексообразователем. [40] Металлический эрбий получают из его оксида или солей нагреванием с кальцием при температуре1450 °C в атмосфере аргона. [40]
Повседневное использование эрбия разнообразно. Его обычно используют в качестве фотографического фильтра [43] , а из-за его устойчивости он полезен в качестве металлургической добавки.
В широком спектре медицинских применений (например, дерматологии, стоматологии) используются ионы эрбия.Излучение 2940 нм (см. лазер Er:YAG ), которое сильно поглощается водой ( коэффициент поглощения около12 000 /см ). Такое поверхностное осаждение лазерной энергии в тканях необходимо для лазерной хирургии и эффективного производства пара для лазерной абляции эмали в стоматологии. [44]
Оптические волокна из кварцевого стекла, легированные эрбием , являются активным элементом в волоконных усилителях, легированных эрбием (EDFA), которые широко используются в оптической связи . [45] Те же волокна можно использовать для создания волоконных лазеров . Для эффективной работы волокно, легированное эрбием, обычно дополнительно легируется модификаторами/гомогенизаторами стекла, часто алюминием или фосфором. Эти 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 можно использовать в волноводных усилителях, легированных эрбием . [8]
При добавлении ванадия в виде сплава эрбий снижает твердость и улучшает обрабатываемость. [46] Эрбиево- никелевый сплав Er 3 Ni обладает необычайно высокой удельной теплоемкостью при гелиевых температурах и используется в криорефрижераторах ; смесь 65% Er 3 Co и 35% Er 0,9 Yb 0,1 Ni по объему еще больше повышает удельную теплоемкость. [47] [48]
Оксид эрбия имеет розовый цвет и иногда используется в качестве красителя для стекла , фианита и фарфора . Затем стекло часто используют в солнцезащитных очках и дешевых ювелирных украшениях . [46] [49]
Эрбий используется в ядерной технологии в поглощающих нейтроны стержнях управления . [8] [50] или в качестве горючего яда в конструкции ядерного топлива. [51] Недавно эрбий использовался в экспериментах, связанных с термоядерным синтезом в решетке . [52] [53]
Эрбий не играет биологической роли, но соли эрбия могут стимулировать обмен веществ . В среднем люди потребляют 1 миллиграмм эрбия в год. Самая высокая концентрация эрбия у человека находится в костях , но эрбий имеется также в почках и печени человека . [8] Эрбий слегка токсичен при проглатывании, но соединения эрбия не токсичны. [8] Металлический эрбий в виде пыли представляет опасность пожара и взрыва. [54] [55] [56]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )