Эрбий

Эрбий
Эрбий
	← Гольмий \| Тулий →
Внешний вид простого вещества
	Образец эрбия
Свойства атома
Название, символ, номер	Эрбий / Erbium (Er), 68
Группа, период, блок	3 (устар. 3), 6, ; f-элемент
Атомная масса ; (молярная масса)	167,259(3) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 6s24f12
Радиус атома	178 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	157 пм
Радиус иона	(+3e) 88,1 пм
Электроотрицательность	1,24 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Er←Er3+ -2,32 В
Степени окисления	+3
Энергия ионизации ; (первый электрон)	581,0 (6,02) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	9,06 г/см³
Температура плавления	1802 К (1528,85 °С)
Температура кипения	3136 К (2862,85 °С)
Мол. теплота испарения	317 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	28,12 Дж/(K·моль)
Молярный объём	18,4 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная
Параметры решётки	a=3,560 c=5,587 Å
Отношение c/a	1,570
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (14,5) Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-52-0
Наиболее долгоживущие изотопы

68	Эрбий
Er 167,259
4f¹²6s²

Э́рбий (химический символ — Er; лат. Erbium) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 68^[3].

Относится к семейству лантаноидов.

Простое вещество эрбий — это мягкий редкоземельный металл серебристого цвета.

История обнаружения

Впервые эрбий был выделен в 1843 году шведским химиком Карлом Густавом Мосандром из минерала гадолинита, найденного около селения Иттербю. Мосандер обнаружил примеси в концентрате Y₂O₃ и выделил из него три фракции: иттриевую, розовую «terbia» (которая содержала современный элемент эрбий) и бесцветную «erbia» (содержала элемент тербий, нерастворимый оксид тербия имеет коричневый оттенок). Тербий и эрбий некоторое время путали. Тербий был переименован в эрбий после 1860 года, а эрбий в тербий — в 1877 году.

Марк Делафонтен в 1864 году принялся работать с гадолинитом: эрбий и его соединения были детально изучены различными методами, в том числе с применением газовой горелки. Им же были предоставлены довольно ясные доказательства открытия эрбия^[4]. Пер Теодор Клеве в 1879 году, изучая эрбий, оставшийся после отделения от иттербия, пришёл к выводу о неоднородности фракции и открыл в его составе ещё два элемента: тулий и гольмий.

Достаточно чистый Er₂O₃ был независимо выделен в 1905 году Жоржем Урбэном и Чарльзом Джеймсом (27.04.1880 – 10.12.1928). Чистый металл был получен лишь в 1934 году Вильгельмом Карлом Клеммом и Боммером. Только в 1990-х годах китайский оксид эрбия упал в цене достаточно, чтобы использоваться как краситель для стекла.

Происхождение названия

Наряду ещё с тремя химическими элементами (тербий, иттербий, иттрий) получил название в честь села Иттербю, находящегося на острове Ресарё, входящем в Стокгольмский архипелаг.

Нахождение в природе

Кларк эрбия в земной коре (по Тэйлору) — 3,3 г/т, содержание в воде океанов — 2,4⋅10⁻⁶^[5]. Эти концентрации достаточны для того, чтобы разместить эрбий на 43-м месте по распространённости среди химических элементов в земной коре (таким образом, он более распространён, чем олово и вольфрам).

Как и прочие редкоземельные элементы, эрбий не встречается в природе в свободном состоянии, но содержится в монацитовых песках. Исторически было очень сложно и затратно разделять редкоземельные элементы, но ионообменная хроматография, разработанная к концу XX века, существенно снизила стоимость их получения.

Основными коммерческими источниками эрбия являются минералы ксенотим и эвксенит, а также, с недавних пор, глины южного Китая; в итоге, Китай превратился в основного поставщика этого элемента. В высокоиттриевой фракции концентрата иттрий составляет около 2/3 по весу, а эрбий — около 4-5 %. После растворения концентрата в кислоте эрбий окрашивает раствор в характерный розовый цвет — тот самый, который Мозандер наблюдал, исследуя минералы посёлка Иттербю.

Месторождения

Эрбий входит в состав лантаноидов, которые встречаются очень редко. Лантаноиды встречаются в США, Казахстане, России, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии.

Изотопы

Естественный эрбий состоит из 6 стабильных изотопов: Er-162, Er-164, Er-166, Er-167, Er-168, Er-170; ¹⁶⁶Er является наиболее распространённым (33,503 % естественного эрбия). Описаны 29 радиоизотопов, наиболее стабильны из которых ¹⁶⁹Er с периодом полураспада 9,4 суток, ¹⁷²Er с периодом полураспада 49,3 часов, ¹⁶⁰Er с периодом полураспада 28,58 часов, ¹⁶⁵Er с периодом полураспада 10,36 часов и ¹⁷¹Er с периодом полураспада 7,516 часов. У остальных радиоактивных изотопов период полураспада менее 3,5 часов, причём многие из них с периодом полураспада менее 4 минут. Этот элемент имеет также 13 ядерных изомеров, наиболее стабильный из которых Er-167m с периодом полураспада 2,269 с.

Изотопы эрбия лежат в диапазоне атомных масс от 142,9663 (для Er-143) до 176,9541 (для Er-177).

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома эрбия: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹²

Эрбий — это мягкий пластичный редкоземельный металл серебристого цвета. Не радиоактивен. Является ферромагнетиком.

Биологическое воздействие

Как и все редкоземельные металлы, эрбий не играет значительной биологической роли в живых организмах.
Системная токсичность эрбия, по всей видимости, низкая.
Является стимулятором метаболизма.

Получение

Металлический эрбий получают электролизом расплава хлорида (фторида) эрбия ErCl₃ (ErF₃), а также кальцийтермическим восстановлением этих солей.

Применение

Одним из важнейших направлений использования эрбия является его применение в виде оксида (иногда бората) в атомной технике. Так, например, смесь оксида эрбия и оксида урана позволяет резко улучшить работу реакторов РБМК, улучшив в них энергораспределение, технико-экономические параметры, и что особенно актуально — безопасность работы реакторов.

Монокристаллы оксида эрбия используются в качестве высокоэффективных лазерных материалов. Непрерывные эрбиевые и тулиевые импульсные лазеры, работающие на длине волны 3 мкм, подходят для применения в лазерной хирургии: рабочая длина волны совпадает с частотой колебаний атомов O—H в воде — достигается сильное поглощение луча биологическими тканями^[6].

Оксид эрбия добавляют в кварцевый расплав при производстве оптических волокон, работающих на сверхдальних расстояниях (ВЛЭ — волокно, легированное эрбием). При построении сверхдлинных оптических трасс встаёт проблема промежуточной регенерации сигнала из-за его естественного затухания при распространении в кварцевой нити. В случае, если трасса проходит по «сложным» участкам (например, под водой), размещение «преобразующих» станций регенерации (то есть таких, которые преобразуют слабый оптический сигнал в электрический, усиливают его и вновь преобразовывают в излучение лазера) становится технически очень сложной задачей ввиду необходимости обеспечения таких станций электропитанием. Оптическое волокно, легированное редкоземельным элементом эрбием, обладает способностью поглощать свет одной длины волны и испускать его на другой длине волны. Внешний полупроводниковый лазер посылает в волокно инфракрасный свет с длиной волны 980 или 1480 нм, возбуждая атомы эрбия. Когда в волокно поступает оптический сигнал с длиной волны от 1530 до 1620 нм, возбуждённые атомы эрбия излучают свет с той же длиной волны, что и входной сигнал. EDFA — erbium-doped fiber amplifier — усилитель, работающий по этому принципу.

Примечания

↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02. Архивировано 5 февраля 2014 года.
↑ Редкол.:Зефиров Н. С. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1999. — Т. 5. — С. 487.
↑ «Эрбий» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг.
↑ Handbook of the Physics and Chemistry of Rare Earths, 1988, pp. 49—50.
↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
↑ Godard Antoine. Infrared (2–12 μm) solid-state laser sources: a review (англ.) // Comptes Rendus Physique. — 2007. — December (vol. 8, no. 10). — P. 1100—1128. — ISSN 1631-0705. — doi:10.1016/j.crhy.2007.09.010.