Эрбий

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].

Эрбий
← Гольмий | Тулий →
68 Er ↓ Fm Периодическая система элементов 68Er
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)[1] 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[2] 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
Основная статья: Изотопы эрбия Изотоп Распростра- нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада 160Er синт. 28,58 ч ЭЗ 160Ho 162Er 0,139% стабилен - - 164Er 1,601% стабилен - - 165Er синт. 10,36 ч ЭЗ 165Ho 166Er 33,503% стабилен - - 167Er 22,869% стабилен - - 168Er 26,978% стабилен - - 169Er синт. 9,4 сут β− 169Tm 170Er 14,910% стабилен - - 171Er синт. 7,516 ч β− 171Tm 172Er синт. 49,3 ч β− 172Tm

68	Эрбий
Er 167,259
4f126s2

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

Подробнее см. Редкоземельные элементы

Монацитовый песок

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

Основная статья: Изотопы эрбия

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^{[источник не указан 184 дня]}.

Получение

Эрбия (III) хлорид под солнечным светом флуоресцирует розовым (как и другие соединения, содержащие Er⁺³, под действием естественного ультрафиолета).

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.