Erbium

Erbium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Er und der Ordnungszahl 68. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der Seltenen Erden. Der Name leitet sich von der Grube Ytterby bei Stockholm ab, wie auch der von Ytterbium, Terbium und Yttrium.

Eigenschaften
[Xe] 4f12 6s2 68Er Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Erbium, Er, 68
Elementkategorie	Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block	La, 6, f
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7440-52-0
EG-Nummer	231-160-1
ECHA-InfoCard	100.028.327
Massenanteil an der Erdhülle	2,3 ppm (56. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse	167,259(3)[3] u
Atomradius (berechnet)	175 (226) pm
Kovalenter Radius	189 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f12 6s2
1. Ionisierungsenergie	6.1077(10) eV[4] ≈ 589.3 kJ/mol[5]
2. Ionisierungsenergie	11.916(20) eV[4] ≈ 1149.7 kJ/mol[5]
3. Ionisierungsenergie	22.70(3) eV[4] ≈ 2190 kJ/mol[5]
4. Ionisierungsenergie	42.42(4) eV[4] ≈ 4090 kJ/mol[5]
5. Ionisierungsenergie	65.1(4) eV[4] ≈ 6280 kJ/mol[5]
Physikalisch[6]
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	9,045 g/cm3 (25 °C)[7]
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 0,033)[8]
Schmelzpunkt	1802 K (1529 °C)
Siedepunkt	3173 K[9] (2900 °C)
Molares Volumen	18,46 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	280 kJ·mol−1[9]
Schmelzenthalpie	19,9 kJ·mol−1
Elektrische Leitfähigkeit	1,16 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	15 W·m−1·K−1
Chemisch[10]
Oxidationszustände	+3
Normalpotential	−2,32 V (Er3+ + 3 e− → Er)
Elektronegativität	1,24 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 162Er 0,14 % Stabil 163Er {syn.} 75 min ε 1,210 163Ho 164Er 1,61 % Stabil 165Er {syn.} 10,36 h ε 0,376 165Ho 166Er 33,6 % Stabil 167Er 22,95 % Stabil 168Er 26,8 % Stabil 169Er {syn.} 9,40 d β− 0,351 169Tm 170Er 14,9 % Stabil
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Kernspin γ in rad·T−1·s−1 Er (1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 167Er +7/2 7,715 · 106 2,88
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[11] Pulver Achtung H- und P-Sätze H: 228 P: 210[11]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Geschichte

Die Entdeckung des Erbium begann 1843, als Carl Gustav Mosander Yttrium mittels fraktionierter Kristallisation genauer untersuchte und dabei feststellte, dass es aus drei verschiedenfarbenen Substanzen bestand. Für einen farblosen Niederschlag beließ er den Namen Yttrium, einen gelben nannte er Erbium, einen pinkfarbenen Terbium. Alle drei Namen beruhen auf dem Namen der Grube Ytterby, der Typlokalität von Gadolinit, dem ersten Erz, aus dem die Elemente gewonnen werden konnten.^[12] 1860 wiederholte Nils Johan Berlin diese Experimente, fand jedoch nur einen pinkfarbenen Niederschlag, der er – abweichend von Mosander – Erbium nannte und bestritt die Existenz des Terbiums. In weiteren Untersuchungen von Gadolinit und Samarskit durch Marc Delafontaine konnte die Existenz des Terbiums schließlich bestätigt werden, jedoch blieb es bei der Namensvertauschung gegenüber dem ursprünglichen Vorschlag von Mosander.^[13][14]

1878 untersuchten Marc Delafontaine und Per Teodor Cleve unabhängig voneinander Erbiumsalzlösungen spektroskopisch und entdeckten, dass es sich nicht um ein Element, sondern um eine weitere Mischung von Elementen handelt. Diese wurden neben Erbium Thulium und Holmium genannt. Aus dem Holmium wurde 1886 von Paul Émile Lecoq de Boisbaudran das Dysprosium isoliert.^[15] Auch das Ytterbium wurde 1878 bei Untersuchungen von Erbiumoxid durch Jean Charles Galissard de Marignac entdeckt.^[16]

Annähernd reines Erbium(III)-oxid wurde 1905 unabhängig voneinander durch Georges Urbain und Charles James dargestellt.^[17] Metallisches Erbium wurde erstmals 1936 von Wilhelm Klemm und Heinrich Bommer erhalten. Sie gewannen das Metall durch Reduktion von Erbium(III)-chlorid mit Kalium bei 250 °C. Weiterhin bestimmten sie die Kristallstruktur und die magnetischen Eigenschaften des Metalls.^[18]

Vorkommen

Erbium ist auf der Erde ein seltenes Element, seine Häufigkeit in der kontinentalen Erdkruste beträgt etwa 3,5 ppm.^[19] Unter den Seltenen Erden wird es mit Yttrium und den Elementen von Terbium bis Lutetium zu den schweren Seltenen Erden (Heavy Rear Earth Elements, HREE) gezählt.

Wie alle Seltenen Erden ist Erbium lithophil und daher vor allem in der kontinentalen Erdkruste zu finden, nur wenig im Erdmantel. Seltene Erden werden zudem zu den inkompatiblen Elementen gezählt, jedoch ist es bei verschiedenen Gesteinen und Lanthanoiden unterschiedlich ausgeprägt. Während leichte Lanthanoide stark inkompatibel sind, ist dies bei schweren weniger der Fall. Vor allem in Granat werden HREE wie Erbium bevorzugt eingebaut.^[20]

Es sind keine Erbiumminerale bekannt, das Element kommt stets vergesellschaftet mit anderen schweren Seltenerdelementen in Erzen vor. Die wichtigsten erbiumhaltigen Minerale sind Xenotim, Gadolinit-(Y), Bastnäsit, Allanit und Britholit.^[21] Der Erbiumgehalt von Xenotim liegt je nach Probe bei 3,9 bis 4,1 %^[22]

Die kommerziell wichtigste Quelle für Erbium sind ionenadsorbierende Tonminerale (Regolith-hosted ion-adsorption deposits, IADs). Diese entstehen bei der Verwitterung von Muttergesteinen vor allem in den Subtropen und adsorbieren die in den Ausgangsgesteinen enthaltenen Seltenerdmetalle. IAD-Vorkommen besitzen zwar nur einen relativ geringen Anteil an Seltenerdelementen von 0,05 bis 0,2 %, diese lassen sich jedoch relativ einfach durch Auslaugen aus den Tonmineralen lösen.^[23]

Die wichtigsten Vorkommen von ionenadsorbierenden Tonmineralen liegen im Süden Chinas, aber auch in Myanmar, Vietnam, Malawi, Brasilien, den Philippinen und den Vereinigten Staaten sind Vorkommen bekannt. Kommerziell ausgebeutet werden vor allem die Vorkommen in Südchina und Myanmar.^[24] Die chinesischen Tonmineral-Vorkommen enthalten etwa 5 ppm Erbium, es sind noch einige Vorkommen mit höheren Gehalten von bis zu 44 ppm in einer kleinen, sehr HREE-reichen Lagerstätte in Penco, Chile bekannt.^[25]

Gewinnung und Darstellung

Nach einer aufwändigen Abtrennung der anderen Erbiumbegleiter wird das Oxid mit Fluorwasserstoff zum Erbiumfluorid umgesetzt. Anschließend wird mit Calcium unter Bildung von Calciumfluorid zum metallischen Erbium reduziert. Die Abtrennung verbleibender Calciumreste und Verunreinigungen erfolgt in einer zusätzlichen Umschmelzung im Vakuum.

Eigenschaften

Kristallines Erbium

Physikalische Eigenschaften

Das silberweiß glänzende Metall der Seltenen Erden ist schmiedbar, aber auch ziemlich spröde.

Chemische Eigenschaften

In Luft läuft Erbium grau an, ist dann aber recht beständig. Bei höheren Temperaturen verbrennt es zum Sesquioxid Er₂O₃. Mit Wasser reagiert es unter Wasserstoffentwicklung zum Hydroxid. In Mineralsäuren löst es sich unter Bildung von Wasserstoff auf.

In seinen Verbindungen liegt es in der Oxidationsstufe +3 vor, die Er³⁺-Kationen bilden in Wasser rosafarbene Lösungen. Feste Salze sind ebenfalls rosa gefärbt.

Verwendung

Erbium-dotierte Lichtwellenleiter werden für optische Verstärker verwendet, die in der Lage sind, ein Lichtsignal zu verstärken, ohne es zuvor in ein elektrisches Signal zu wandeln. Gold als Wirtsmaterial dotiert mit einigen hundert ppm Erbium wird als Sensormaterial magnetischer Kalorimeter zur hochauflösenden Teilchendetektion in der Physik und Technik verwendet.

Erbium wird neben anderen Selten-Erd-Elementen wie Neodym oder Holmium zur Dotierung von Laserkristallen in Festkörperlasern eingesetzt (Er:YAG-Laser, siehe auch Nd:YAG-Laser). Der Er:YAG-Laser wird hauptsächlich in der Humanmedizin eingesetzt. Er hat eine Wellenlänge von 2940 nm und damit eine extrem hohe Absorption im Gewebewasser von ca. 12000 pro cm.

Als reiner Beta-Strahler wird ¹⁶⁹Er in der Nuklearmedizin zur Therapie bei der Radiosynoviorthese eingesetzt.^[26]

Viele seiner Verbindungen, wie Erbiumchlorid, sind rosa gefärbt und werden deshalb in der Töpferei und Glasbläserei eingesetzt.^[27]

Verbindungen

• Erbium(III)-oxid Er₂O₃
• Erbium(III)-fluorid ErF₃
• Erbium(III)-chlorid ErCl₃
• Erbium(III)-bromid ErBr₃
• Erbium(III)-iodid ErI₃
• Erbium(III)-sulfat Er₂(SO₄)₃ · 8 H₂O: rosafarbene Kristalle
• Erbium(III)-nitrat Er(NO₃)₃ · 5 H₂O

Weblinks

Commons: Erbium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Erbium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Eintrag zu Erbium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.