اربیم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
فارسیEnglish
هولمیماربیمتولیم
-

Er

Fm
ظاهر
سفید نقره‌ای
ویژگی‌های کلی
نام، نماد، عدد اربیم، Er،‏ 68
تلفظ به انگلیسی /ˈɜrbiəm/
نام گروهی برای عناصر مشابه لانتانید
گروه، دوره، بلوک n/a، ۶، f
جرم اتمی استاندارد ۱۶۷٫۲۵۹ گرم بر مول
آرایش الکترونی Xe] 4f12 6s2]
الکترون به لایه ۲, ۸, ۱۸, ۳۰, ۸, ۲
ویژگی‌های فیزیکی
حالت جامد
چگالی (نزدیک به دمای اتاق) ۹٫۰۶۶ g·cm−۳
چگالی مایع در نقطه ذوب ۸٫۸۶ g·cm−۳
نقطه ذوب ۱۸۰۲ K،‎ ۱۵۲۹ °C،‎ ۲۷۸۴ °F
نقطه جوش ۳۱۴۱ K،‎ ۲۸۶۸ °C،‎ ۵۱۹۴ °F
گرمای هم‌جوشی ۱۹٫۹۰ کیلوژول بر مول
گرمای تبخیر ۲۸۰ کیلوژول بر مول
ظرفیت گرمایی ۲۸٫۱۲ کیلوژول بر مول
فشار بخار
فشار (پاسکال) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱k ۱۰k ۱۰۰k
دما (کلوین) ۱۵۰۴ ۱۶۶۳ (۱۸۸۵) (۲۱۶۳) (۲۵۵۲) (۳۱۳۲)
ویژگی‌های اتمی
وضعیت اکسید شدن ۳ (اکسید بازی)
الکترونگاتیوی ۱٫۲۴ (مقیاس پاولینگ)
انرژی‌های یونش نخستین: ۵۸۹٫۳ کیلوژول بر مول
دومین: ۱۱۵۰ کیلوژول بر مول
سومین: ۲۱۹۴ کیلوژول بر مول
شعاع اتمی ۱۷۶ pm
شعاع کووالانسی ۱۸۹±۶ pm
متفرقه
ساختار کریستالی شش‌وجهی
مغناطیس پارامغناطیس در ۳۰۰ کلوین
مقاومت ویژه الکتریکی (در دمای اتاق) ۰٫۸۶۰ µΩ·m
رسانایی گرمایی (300 K) ۱۴٫۵ W·m−1·K−1
انبساط گرمایی (در دمای اتاق) ۱۲٫۲ µm/(m·K)
سرعت صوت (سیم نازک) (20 °C) ۲۸۳۰ m/s
مدول یانگ ۶۹٫۹ GPa
مدول برشی ۲۸٫۳ GPa
مدول حجمی ۴۴٫۴ GPa
نسبت پواسون ۰٫۲۳۷
سختی ویکر ۵۸۹ MPa
سختی برینل ۸۱۴ MPa
عدد کاس 7440-52-0
پایدارترین ایزوتوپ‌ها
مقاله اصلی ایزوتوپ‌های اربیم
ایزوتوپ NA نیمه‌عمر DM DE (MeV) DP
۱۶۰Er مصنوعی ۲۸٫۵۸ ساعت ε ۰٫۳۳۰ ۱۶۰Ho
۱۶۲Er ۰٫۱۳۹٪ ۱۶۲Er ایزوتوپ پایدار است که ۹۴ نوترون دارد
۱۶۴Er ۱٫۶۰۱٪ ۱۶۴Er ایزوتوپ پایدار است که ۹۶ نوترون دارد
۱۶۵Er مصنوعی ۱۰٫۳۶ ساعت ε ۰٫۳۷۶ ۱۶۵Ho
۱۶۶Er ۳۳٫۵۰۳٪ ۱۶۶Er ایزوتوپ پایدار است که ۹۸ نوترون دارد
۱۶۷Er ۲۲٫۸۶۹٪ ۱۶۷Er ایزوتوپ پایدار است که ۹۹ نوترون دارد
۱۶۸Er ۲۶٫۹۷۸٪ ۱۶۸Er ایزوتوپ پایدار است که ۱۰۰ نوترون دارد
۱۶۹Er مصنوعی ۹٫۴ روز β ۰٫۳۵۱ ۱۶۹Tm
۱۷۰Er ۱۴٫۹۱۰٪ ۱۷۰Er ایزوتوپ پایدار است که ۱۰۲ نوترون دارد
۱۷۱Er مصنوعی ۷٫۵۱۶ ساعت β ۱٫۴۹۰ ۱۷۱Tm
۱۷۲Er مصنوعی ۴۹٫۳ ساعت β ۰٫۸۹۱ ۱۷۲Tm

اربیوم (Erbium) از عنصرهای شیمیایی جدول تناوبی در دسته لانتانیدها است. نشانه کوتاه آن Er و عدد اتمی آن ۶۸ است. اربیم خالص، فلز جامد نقره‌ای است. اربیم طبیعی همواره در ترکیب با سایر عناصر مشاهده می‌شود. این عنصر، جزء عنصرهای خاکی کمیاب است که برای اولین بار همراه با چند عنصر دیگر در کانی گادولینیت در منطقه ایتربی سوئد، یافت شده‌است.

یون اربیم به دلیل داشتن ویژگی‌های فلورسنت در برخی کاربردهای لیزری به کار می‌رود. شیشه‌ها یا بلورهای اربیم‌دار را می‌توان در تقویت‌کننده‌های نوری به کار برد. یون اربیم، نوری با طول موج ۱۵۳۰ نانومتر تابش می‌کند. طول موج ۱۵۵۰ نانومتر در مخابرات نوری اهمیت خاصی دارد. زیرا در این طول موج، کمترین افت در فیبرهای نوری استاندارد یک‌حالته ایجاد می‌شود.

مشخصات[ویرایش]

اربیم کلرید در نور خورشید، فلورسنت بنفش را منتشر می‌کند

ویژگی‌های فیزیکی[ویرایش]

اربیم، عنصری سه ظرفیتی است. شکل خالص آن، فلزی نرم و در عین حال، در مجاورت هوا پایدار است و برخلاف بعضی عناصر خاکی کمیاب دیگر، به سرعت اکسید نمی‌شود. نمک‌های اربیم به رنگ صورتی هستند و خطوط طیف جذبی آن در محدوده نور مرئی، فرابنفش و نزدیک فروسرخ قرار دارند. اربیم هیچ نقش زیست‌شناختی شناخته شده‌ای ندارد، ولی ممکن است بر سوخت و ساز بدن تأثیر بگذارد.[۱]

اربیم در دمای پایین‌تر از ۱۹ کلوین فرومغناطیس، بین ۱۹ و ۸۰ کلوین پادفرومغناطیس و در دمای بالاتر از ۸۰ کلوین پارامغناطیس است.[۲]

ویژگی‌های شیمیایی[ویرایش]

اربیم در مجاورت هوا به آهستگی کدر می‌شود و به اربیم اکسید تبدیل می‌شود:

4 Er + 3 O2 → 2 Er2O3

هم‌چنین با آب سرد به آهستگی و با آب گرم به سرعت واکنش می‌دهد و اربیم هیدروکسید، ساخته می‌شود:

2 Er (s) + 6 H2O (l) → 2 Er(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

اربیم فلزی می‌تواند با همه هالوژن‌ها واکنش انجام دهد که فلوئورید آن، صورتی‌رنگ و ترکیب آن با سایر هالوژن‌ها بنفش است:[۳]

2 Er (s) + 3 M2 (g) → 2 ErM3 (s)

M می‌تواند کلر، برم یا ید باشد.

ایزوتوپ‌ها[ویرایش]

اربیم طبیعی، شش ایزوتوپ پایدار دارد که اربیم-۱۶۶، فراوان‌ترین ایزوتوپ آن (با فراوانی نسبی ۳۳٫۵٪) است. تاکنون ۲۹ ایزوتوپ پرتوزای آن شناخته شده‌اند که پایدارترین آنها، اربیم-۱۶۹ با نیم‌عمر ۹٫۴ روز و اربیم-۱۷۲ با نیم‌عمر ۴۹٫۳ ساعت می‌باشند. عدد جرمی ایزوتوپ‌های اربیم در بازه ۱۴۳ و ۱۷۷ است. فراوان‌ترین شکل واپاشی در ایزوتوپ‌های سبک‌تر از اربیم-۱۶۶، جذب الکترون و در ایزوتوپ‌های سنگین‌تر، واپاشی بتا است. بنا بر این، محصول واپاشی در ایزوتوپ‌های سبک‌تر، هولمیم (با عدد اتمی ۶۷) و در ایزوتوپ‌های سنگین‌تر، تولیم (با عدد اتمی ۶۹) است.[۴]

تاریخچه[ویرایش]

اربیم در ۱۸۴۱ توسط کارل موساندر کشف شد.[۵] موساندر ایتریا را از کانی گادولینیت جدا و به سه بخش تقسیم نمود که نام این بخش‌ها را اربیا، تربیا و ایتریا نهاد. او عنصر جدید را از روی نام روستای ایتربی که کانی از آنجا گرفته شده‌بود، نام‌گذاری کرد. البته موساندر و سایر شیمی‌دانان تا مدت زیادی نتوانستند اربیم خالص را به دست آورند. در ۱۹۳۴، کلم و بومر با کاهش کلرید اربیم بدون آب با بخار پتاسیم، موفق به تولید اربیم خالص شدند.[۶]

فراوانی[ویرایش]

ماسه مونازیت

غلظت اربیم در پوسته زمین حدود ۲٫۸ میلی‌گرم بر کیلوگرم و در آب دریا ۰٫۹ نانوگرم بر لیتر است.[۷] به این ترتیب، اربیم در جایگاه حدود ۴۵ از نظر فراوانی در پوسته زمین قرار دارد. اربیم به صورت طبیعی یافت نمی‌شود، ولی همراه با سایر عنصرهای خاکی کمیاب در ماسه مونازیت وجود دارد. تا مدت‌ها استخراج اربیم و جداسازی آن از سایر عناصر خاکی کمیاب، به سادگی امکان‌پذیر نبود؛ ولی پس از توسعه روش‌های فراوری تبادل یونی در اواخر سده بیستم میلادی، هزینه استخراج و تهیه همه عناصر خاکی کمیاب و ترکیب‌های شیمیایی آن‌ها بسیار کاهش یافته‌است.[۸]

اقتصادی‌ترین منبع‌های اربیم، کانی‌های گزنوتیم و اگزنیت (عمدتاً در نروژ) و رس‌های جاذب یون در جنوب چین هستند. در حال حاضر، چین عمده‌ترین تولیدکننده اربیم است. در کانی‌هایی که غلظت ایتریم زیاد است، حدود ۴–۵٪ اربیا وجود دارد. پس از حل شدن در اسید، یون‌های اربیم به حد کافی موجود هستند که رنگ صورتی به محلول دهند.

تولید[ویرایش]

کانی استخراج شده با هیدروکلریک اسید یا سولفوریک اسید واکنش داده می‌شود تا اکسید نامحلول آن به کلرید یا سولفات محلول تبدیل شود. سپس خاصیت اسیدی با سدیم هیدروکسید تا حدودی کاهش می‌یابد. به این ترتیب، توریم به صورت هیدروکسید از محلول خارج می‌شود. پس از افزوده شدن آمونیوم اگزالات به محلول، عناصر خاکی کمیاب به اگزالات نامحلول تبدیل می‌شوند. اگزالات‌ها با بازپخت، به اکسید تبدیل می‌شوند. اکسیدها در نیتریک اسید حل می‌شوند و سریم که یکی از اجزای عمده است، به دلیل نامحلول بودن اکسید آن در نیتریک اسید، جدا می‌شود. محلول با منیزیم نیترات ترکیب می‌شود تا نمک مضاعف عناصر خاکی کمیاب ایجاد شود. سپس نمک‌ها با تبادل یونی از هم جدا می‌شوند. در نهایت، فلز اربیم از گرما دادن اکسید یا نمک آن با کلسیم در دمای ۱۴۵۰ درجه سلسیوس در مجاورت آرگون (گاز خنثی) تهیه می‌شود.[۷]

کاربرد[ویرایش]

  • در فناوری هسته‌ای در میله‌های کنترل جذب نوترون به کار می‌رود.[۹]
  • کاهش سختی و افزایش کارپذیری وانادیم هنگامی که با آن آلیاژ تشکیل دهد.[۱۰]
  • اربیم اکسید که صورتی‌رنگ است، گاهی برای رنگ‌دهی به شیشه یا چینی به کار برده می‌شود. این شیشه‌ها معمولاً در ساخت عینک و جواهرات ارزان مورد استفاده قرار می‌گیرند.[۱۰]
  • نوعی فیبر نوری محتوی اربیم در تقویت‌کننده‌های نوری اربیم‌دار به صورت فراوان در مخابرات نوری به کار می‌رود.[۱۱]
  • نوعی از آلیاژ اربیم-نیکل (Er3Ni) به‌طور غیرمعمولی در دمای محدوده هلیم مایع، دارای ظرفیت گرمایی ویژه بالایی است و در نوعی سردکننده به کار می‌رود.[۱۲]

منابع[ویرایش]

  1. Emsley، John (۲۰۰۳). واحدهای سازنده طبیعت: راهنمای کامل عناصر (ویراست چاپ مجدد با اصلاحات٫). Oxford: Oxford University Press. شابک ۰-۱۹-۸۵۰۳۴۰-۷.
  2. Jackson, M. (۲۰۰۰). «مغناطیس خاکی کمیاب» (PDF). The IRM quarterly. ۱۰ (۳): ۱.
  3. «واکنش‌های شیمیایی اربیم». Webelements.
  4. Georges, Audi; Bersillon, O. ; Blachot, J. ; Wapstra, A.H. (دسامبر ۲۰۰۳). «The Nubase evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A. ۷۲۹ (۱): ۳–۱۲۸. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
  5. Mosander C.G. (اکتبر ۱۸۴۳). «On the new metals, Lanthanium and Didymium, which are associated with Cerium; and on Erbium and Terbium, new metals associated with Yttria». Philosophical Magazine Series 3. ۲۳ (۱۵۲): ۲۴۱–۲۵۴. doi:10.1080/14786444308644728.
  6. Ihde Aaron J. (۱۹۸۴). The development of modern chemistry (ویراست [Facsim٫ ed٫]٫). New York: Dover Publ. شابک ۰-۴۸۶-۶۴۲۳۵-۶.
  7. ۷٫۰ ۷٫۱ Patnaik Pradyot (۲۰۰۳). Handbook of inorganic chemicals. New York, NY [u.a.]: McGraw-Hill. شابک ۰-۰۷-۰۴۹۴۳۹-۸.
  8. نخستین مقاله در مورد کاربرد کروماتوگرافی تبادل یونی در جداسازی عناصر خاکی کمیاب: Spedding، F.H.؛ Powell، J.E. (۱۹۵۴). «A practical separation of yttrium group rare earths from gadolinite by ion-exchange». Chemical Engineering Progress. ۵۰: ۷–۱۵.
  9. Theodore A. Parish, Vyacheslav V. Khromov (۱۹۹۹). Safety issues associated with plutonium involvement in the nuclear fuel cycle : [proceedings of the NATO advanced research workshop on safety issues associated with plutonium involvement in the nuclear fuel cycle, Moscow, Russia, 2-6 September 1997]. Dordrecht: Kluwer academic publ. in cooperation with NATO Scientific affairs division. شابک ۹۷۸-۰-۷۹۲۳-۵۵۹۳-۹.
  10. ۱۰٫۰ ۱۰٫۱ editor-in-chief, David R. Lide (۲۰۰۰). CRC handbook of chemistry and physics, 2000-2001: a ready-reference book of chemical and physical data (ویراست ۸۱st ed٫). Boca Raton, Fla.: CRC Press. شابک ۰-۸۴۹۳-۰۴۸۱-۴.
  11. P.C. Becker, N.A. Olsson, J.R. Simpson (۱۹۹۹). Erbium-doped fiber amplifiers fundamentals and technology (ویراست [Online-Ausg٫]). San Diego: Academic Press. شابک ۹۷۸-۰-۱۲-۰۸۴۵۹۰-۳.
  12. Ackermann Rober A. (۱۹۹۷). Cryogenic regenerative heat exchangers. New York, NY [u.a.]: Plenum Press. شابک ۹۷۸-۰-۳۰۶-۴۵۴۴۹-۳.
Erbium, 68Er
Erbium-crop.jpg
Erbium
Pronunciation/ˈɜːrbiəm/ (UR-bee-əm)
Appearancesilvery white
Standard atomic weight Ar, std(Er)167.259(3)[1]
Erbium in the periodic table
Hydrogen Helium
Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon
Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon
Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon
Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon
Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson


Er

Fm
holmiumerbiumthulium
Atomic number (Z)68
Groupgroup n/a
Periodperiod 6
Blockf-block
Element category  Lanthanide
Electron configuration[Xe] 4f12 6s2
Electrons per shell2, 8, 18, 30, 8, 2
Physical properties
Phase at STPsolid
Melting point1802 K ​(1529 °C, ​2784 °F)
Boiling point3141 K ​(2868 °C, ​5194 °F)
Density (near r.t.)9.066 g/cm3
when liquid (at m.p.)8.86 g/cm3
Heat of fusion19.90 kJ/mol
Heat of vaporization280 kJ/mol
Molar heat capacity28.12 J/(mol·K)
Vapor pressure
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
at T (K) 1504 1663 (1885) (2163) (2552) (3132)
Atomic properties
Oxidation states0,[2] +1, +2, +3 (a basic oxide)
ElectronegativityPauling scale: 1.24
Ionization energies
  • 1st: 589.3 kJ/mol
  • 2nd: 1150 kJ/mol
  • 3rd: 2194 kJ/mol
Atomic radiusempirical: 176 pm
Covalent radius189±6 pm
Color lines in a spectral range
Spectral lines of erbium
Other properties
Natural occurrenceprimordial
Crystal structurehexagonal close-packed (hcp)
Hexagonal close packed crystal structure for erbium
Speed of sound thin rod2830 m/s (at 20 °C)
Thermal expansionpoly: 12.2 µm/(m·K) (r.t.)
Thermal conductivity14.5 W/(m·K)
Electrical resistivitypoly: 0.860 µΩ·m (r.t.)
Magnetic orderingparamagnetic at 300 K
Magnetic susceptibility+44,300.00·10−6 cm3/mol[3]
Young's modulus69.9 GPa
Shear modulus28.3 GPa
Bulk modulus44.4 GPa
Poisson ratio0.237
Vickers hardness430–700 MPa
Brinell hardness600–1070 MPa
CAS Number7440-52-0
History
Namingafter Ytterby (Sweden), where it was mined
DiscoveryCarl Gustaf Mosander (1843)
Main isotopes of erbium
Iso­tope Abun­dance Half-life (t1/2) Decay mode Pro­duct
160Er syn 28.58 h ε 160Ho
162Er 0.139% stable
164Er 1.601% stable
165Er syn 10.36 h ε 165Ho
166Er 33.503% stable
167Er 22.869% stable
168Er 26.978% stable
169Er syn 9.4 d β 169Tm
170Er 14.910% stable
171Er syn 7.516 h β 171Tm
172Er syn 49.3 h β 172Tm
| references

Erbium is a chemical element with the symbol Er and atomic number 68. A silvery-white solid metal when artificially isolated, natural erbium is always found in chemical combination with other elements. It is a lanthanide, a rare earth element, originally found in the gadolinite mine in Ytterby in Sweden, from which it got its name.

Erbium's principal uses involve its pink-colored Er3+ ions, which have optical fluorescent properties particularly useful in certain laser applications. Erbium-doped glasses or crystals can be used as optical amplification media, where Er3+ ions are optically pumped at around 980 or 1480 nm and then radiate light at 1530 nm in stimulated emission. This process results in an unusually mechanically simple laser optical amplifier for signals transmitted by fiber optics. The 1550 nm wavelength is especially important for optical communications because standard single mode optical fibers have minimal loss at this particular wavelength.

In addition to optical fiber amplifier-lasers, a large variety of medical applications (i.e. dermatology, dentistry) rely on the erbium ion's 2940 nm emission (see Er:YAG laser) when lit at another wavelength, which is highly absorbed in water in tissues, making its effect very superficial. Such shallow tissue deposition of laser energy is helpful in laser surgery, and for the efficient production of steam which produces enamel ablation by common types of dental laser.

Characteristics

Physical properties

Erbium(III)chloride in sunlight, showing some pink fluorescence of Er+3 from natural ultraviolet.

A trivalent element, pure erbium metal is malleable (or easily shaped), soft yet stable in air, and does not oxidize as quickly as some other rare-earth metals. Its salts are rose-colored, and the element has characteristic sharp absorption spectra bands in visible light, ultraviolet, and near infrared. Otherwise it looks much like the other rare earths. Its sesquioxide is called erbia. Erbium's properties are to a degree dictated by the kind and amount of impurities present. Erbium does not play any known biological role, but is thought to be able to stimulate metabolism.[4]

Erbium is ferromagnetic below 19 K, antiferromagnetic between 19 and 80 K and paramagnetic above 80 K.[5]

Erbium can form propeller-shaped atomic clusters Er3N, where the distance between the erbium atoms is 0.35 nm. Those clusters can be isolated by encapsulating them into fullerene molecules, as confirmed by transmission electron microscopy.[6]

Chemical properties

Erbium metal tarnishes slowly in air and burns readily to form erbium(III) oxide:

4 Er + 3 O2 → 2 Er2O3

Erbium is quite electropositive and reacts slowly with cold water and quite quickly with hot water to form erbium hydroxide:

2 Er (s) + 6 H2O (l) → 2 Er(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

Erbium metal reacts with all the halogens:

2 Er (s) + 3 F2 (g) → 2 ErF3 (s) [pink]
2 Er (s) + 3 Cl2 (g) → 2 ErCl3 (s) [violet]
2 Er (s) + 3 Br2 (g) → 2 ErBr3 (s) [violet]
2 Er (s) + 3 I2 (g) → 2 ErI3 (s) [violet]

Erbium dissolves readily in dilute sulfuric acid to form solutions containing hydrated Er(III) ions, which exist as rose red [Er(OH2)9]3+ hydration complexes:[7]

2 Er (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Er3+ (aq) + 3 SO2−
4
(aq) + 3 H2 (g)

Isotopes

Naturally occurring erbium is composed of 6 stable isotopes, 162
Er
, 164
Er
, 166
Er
, 167
Er
, 168
Er
, and 170
Er
, with 166
Er
being the most abundant (33.503% natural abundance). 29 radioisotopes have been characterized, with the most stable being 169
Er
with a half-life of 9.4 d, 172
Er
with a half-life of 49.3 h, 160
Er
with a half-life of 28.58 h, 165
Er
with a half-life of 10.36 h, and 171
Er
with a half-life of 7.516 h. All of the remaining radioactive isotopes have half-lives that are less than 3.5 h, and the majority of these have half-lives that are less than 4 minutes. This element also has 13 meta states, with the most stable being 167m
Er
with a half-life of 2.269 s.[8]

The isotopes of erbium range in atomic weight from 142.9663 u (143
Er
) to 176.9541 u (177
Er
). The primary decay mode before the most abundant stable isotope, 166
Er
, is electron capture, and the primary mode after is beta decay. The primary decay products before 166
Er
are element 67 (holmium) isotopes, and the primary products after are element 69 (thulium) isotopes.[8]

History

Erbium (for Ytterby, a village in Sweden) was discovered by Carl Gustaf Mosander in 1843.[9] Mosander was working with a sample of what was thought to be the single metal oxide yttria, derived from the mineral gadolinite. He discovered that the sample contained at least two metal oxides in addition to pure yttria, which he named "erbia" and "terbia" after the village of Ytterby where the gadolinite had been found. Mosander was not certain of the purity of the oxides and later tests confirmed his uncertainty. Not only did the "yttria" contain yttrium, erbium, and terbium; in the ensuing years, chemists, geologists and spectroscopists discovered five additional elements: ytterbium, scandium, thulium, holmium, and gadolinium.[10]

Erbia and terbia, however, were confused at this time. A spectroscopist mistakenly switched the names of the two elements during spectroscopy. After 1860, terbia was renamed erbia and after 1877 what had been known as erbia was renamed terbia. Fairly pure Er2O3 was independently isolated in 1905 by Georges Urbain and Charles James. Reasonably pure erbium metal was not produced until 1934 when Wilhelm Klemm and Heinrich Bommer reduced the anhydrous chloride with potassium vapor.[11] It was only in the 1990s that the price for Chinese-derived erbium oxide became low enough for erbium to be considered for use as a colorant in art glass.[12]

Occurrence

Monazite sand

The concentration of erbium in the Earth crust is about 2.8 mg/kg and in the sea water 0.9 ng/L.[13] This concentration is enough to make erbium about 45th in elemental abundance in the Earth's crust.

Like other rare earths, this element is never found as a free element in nature but is found bound in monazite sand ores. It has historically been very difficult and expensive to separate rare earths from each other in their ores but ion-exchange chromatography methods[14] developed in the late 20th century have greatly brought down the cost of production of all rare-earth metals and their chemical compounds.

The principal commercial sources of erbium are from the minerals xenotime and euxenite, and most recently, the ion adsorption clays of southern China; in consequence, China has now become the principal global supplier of this element. In the high-yttrium versions of these ore concentrates, yttrium is about two-thirds of the total by weight, and erbia is about 4–5%. When the concentrate is dissolved in acid, the erbia liberates enough erbium ion to impart a distinct and characteristic pink color to the solution. This color behavior is similar to what Mosander and the other early workers in the lanthanides would have seen in their extracts from the gadolinite minerals of Ytterby.

Production

Crushed minerals are attacked by hydrochloric or sulfuric acid that transforms insoluble rare-earth oxides into soluble chlorides or sulfates. The acidic filtrates are partially neutralized with caustic soda (sodium hydroxide) to pH 3–4. Thorium precipitates out of solution as hydroxide and is removed. After that the solution is treated with ammonium oxalate to convert rare earths into their insoluble oxalates. The oxalates are converted to oxides by annealing. The oxides are dissolved in nitric acid that excludes one of the main components, cerium, whose oxide is insoluble in HNO3. The solution is treated with magnesium nitrate to produce a crystallized mixture of double salts of rare-earth metals. The salts are separated by ion exchange. In this process, rare-earth ions are sorbed onto suitable ion-exchange resin by exchange with hydrogen, ammonium or cupric ions present in the resin. The rare earth ions are then selectively washed out by suitable complexing agent.[13] Erbium metal is obtained from its oxide or salts by heating with calcium at 1450 °C under argon atmosphere.[13]

Applications

Erbium-colored glass

Erbium's everyday uses are varied. It is commonly used as a photographic filter,[citation needed] and because of its resilience it is useful as a metallurgical additive.

Lasers and optics

A large variety of medical applications (i.e. dermatology, dentistry) utilize erbium ion's 2940 nm emission (see Er:YAG laser), which is highly absorbed in water (absorption coefficient about 12000/cm). Such shallow tissue deposition of laser energy is necessary for laser surgery, and the efficient production of steam for laser enamel ablation in dentistry.[citation needed]

Erbium-doped optical silica-glass fibers are the active element in erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs), which are widely used in optical communications.[15] The same fibers can be used to create fiber lasers. In order to work efficiently, erbium-doped fiber is usually co-doped with glass modifiers/homogenizers, often aluminum or phosphorus. These dopants help prevent clustering of Er ions and transfer the energy more efficiently between excitation light (also known as optical pump) and the signal. Co-doping of optical fiber with Er and Yb is used in high-power Er/Yb fiber lasers. Erbium can also be used in erbium-doped waveguide amplifiers.[4]

Metallurgy

When added to vanadium as an alloy, erbium lowers hardness and improves workability.[16] An erbium-nickel alloy Er3Ni has an unusually high specific heat capacity at liquid-helium temperatures and is used in cryocoolers; a mixture of 65% Er3Co and 35% Er0.9Yb0.1Ni by volume improves the specific heat capacity even more.[17][18]

Coloring

Erbium oxide has a pink color, and is sometimes used as a colorant for glass, cubic zirconia and porcelain. The glass is then often used in sunglasses and cheap jewelry.[16][19]

Others

Erbium is used in nuclear technology in neutron-absorbing control rods.[4][20]

Biological role

Erbium does not have a biological role, but erbium salts can stimulate metabolism. Humans consume 1 milligram of erbium a year on average. The highest concentration of erbium in humans is in the bones, but there is also erbium in the human kidneys and liver.[4]

Toxicity

Erbium is slightly toxic if ingested, but erbium compounds are not toxic.[4] Metallic erbium in dust form presents a fire and explosion hazard.[21][22][23]

References

  1. ^ Meija, Juris; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
  2. ^ Yttrium and all lanthanides except Ce, Pm, Eu, Tm, Yb have been observed in the oxidation state 0 in bis(1,3,5-tri-t-butylbenzene) complexes, see Cloke, F. Geoffrey N. (1993). "Zero Oxidation State Compounds of Scandium, Yttrium, and the Lanthanides". Chem. Soc. Rev. 22: 17–24. doi:10.1039/CS9932200017.
  3. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
  4. ^ a b c d e Emsley, John (2001). "Erbium". Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. pp. 136–139. ISBN 978-0-19-850340-8.
  5. ^ Jackson, M. (2000). "Magnetism of Rare Earth" (PDF). The IRM Quarterly. 10 (3): 1. Archived from the original (PDF) on 2017-07-12. Retrieved 2009-05-03.
  6. ^ Sato, Yuta; Suenaga, Kazu; Okubo, Shingo; Okazaki, Toshiya; Iijima, Sumio (2007). "Structures of D5d-C80 and Ih-Er3N@C80 Fullerenes and Their Rotation Inside Carbon Nanotubes Demonstrated by Aberration-Corrected Electron Microscopy". Nano Letters. 7 (12): 3704. Bibcode:2007NanoL...7.3704S. doi:10.1021/nl0720152.
  7. ^ "Chemical reactions of Erbium". Webelements. Retrieved 2009-06-06.
  8. ^ a b Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003). "The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties". Nuclear Physics A. 729 (1): 3–128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. CiteSeerX 10.1.1.692.8504. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
  9. ^ Mosander, C. G. (1843). "On the new metals, Lanthanium and Didymium, which are associated with Cerium; and on Erbium and Terbium, new metals associated with Yttria". Philosophical Magazine. 23 (152): 241–254. doi:10.1080/14786444308644728. Note: The first part of this article, which does NOT concern erbium, is a translation of: C. G. Mosander (1842) "Något om Cer och Lanthan" [Some (news) about cerium and lanthanum], Förhandlingar vid de Skandinaviske naturforskarnes tredje möte (Stockholm) [Transactions of the Third Scandinavian Scientist Conference (Stockholm)], vol. 3, pp. 387–398.
  10. ^ Piguet, Claude (2014). "Extricating erbium". Nature Chemistry. 6 (4): 370. Bibcode:2014NatCh...6..370P. doi:10.1038/nchem.1908.
  11. ^ "Facts About Erbium". Live Science. July 23, 2013. Retrieved 22 October 2018.
  12. ^ Ihde, Aaron John (1984). The development of modern chemistry. Courier Dover Publications. pp. 378–379. ISBN 978-0-486-64235-2.
  13. ^ a b c Patnaik, Pradyot (2003). Handbook of Inorganic Chemical Compounds. McGraw-Hill. pp. 293–295. ISBN 978-0-07-049439-8. Retrieved 2009-06-06.
  14. ^ Early paper on the use of displacement ion-exchange chromatography to separate rare earths: Spedding, F. H.; Powell, J. E. (1954). "A practical separation of yttrium group rare earths from gadolinite by ion-exchange". Chemical Engineering Progress. 50: 7–15.
  15. ^ Becker, P. C.; Olsson, N. A.; Simpson, J. R. (1999). Erbium-doped fiber amplifiers fundamentals and technology. San Diego: Academic Press. ISBN 978-0-12-084590-3.
  16. ^ a b Hammond, C. R. (2000). The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics (81st ed.). CRC press. ISBN 978-0-8493-0481-1.
  17. ^ Kittel, Peter (ed.). Advances in Cryogenic Engineering. 39a.
  18. ^ Ackermann, Robert A. (1997). Cryogenic Regenerative Heat Exchangers. Springer. p. 58. ISBN 978-0-306-45449-3.
  19. ^ Stwertka, Albert. A Guide to the Elements, Oxford University Press, 1996, p. 162. ISBN 0-19-508083-1
  20. ^ Parish, Theodore A.; Khromov, Vyacheslav V.; Carron, Igor, eds. (1999). "Use of UraniumErbium and PlutoniumErbium Fuel in RBMK Reactors". Safety issues associated with Plutonium involvement in the nuclear fuel cycle. CBoston: Kluwer. pp. 121–125. ISBN 978-0-7923-5593-9.
  21. ^ Haley, T. J.; Koste, L.; Komesu, N.; Efros, M.; Upham, H. C. (1966). "Pharmacology and toxicology of dysprosium, holmium, and erbium chlorides". Toxicology and Applied Pharmacology. 8 (1): 37–43. doi:10.1016/0041-008x(66)90098-6. PMID 5921895.
  22. ^ Haley, T. J. (1965). "Pharmacology and toxicology of the rare earth elements". Journal of Pharmaceutical Sciences. 54 (5): 663–70. doi:10.1002/jps.2600540502. PMID 5321124.
  23. ^ Bruce, D. W.; Hietbrink, B. E.; Dubois, K. P. (1963). "The acute mammalian toxicity of rare earth nitrates and oxides". Toxicology and Applied Pharmacology. 5 (6): 750–9. doi:10.1016/0041-008X(63)90067-X. PMID 14082480.

Further reading

  • Guide to the Elements – Revised Edition, Albert Stwertka (Oxford University Press; 1998), ISBN 0-19-508083-1.

External links