Erbium - Erbium
Erbium | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Aussprache |
/ Ɜːr b i ə m / |
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Aussehen | Silbrig Weiß | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Standardatomgewicht A r, std (Er) | 167.259(3) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Erbium im Periodensystem | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Ordnungszahl ( Z ) | 68 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gruppe | Gruppe k.A | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Zeitraum | Periode 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Block | f-block | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronenkonfiguration | [ Xe ] 4f 12 6s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronen pro Schale | 2, 8, 18, 30, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Physikalische Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Phase bei STP | solide | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schmelzpunkt | 1802 K (1529 °C, 2784 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Siedepunkt | 3141 K (2868 °C, 5194 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dichte (nahe rt ) | 9,066 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
wenn flüssig (bei mp ) | 8,86 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schmelzwärme | 19,90 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Verdampfungswärme | 280 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molare Wärmekapazität | 28,12 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dampfdruck
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Atomare Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidationsstufen | 0, +1, +2, +3 (ein basisches Oxid) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativität | Pauling-Skala: 1,24 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ionisierungsenergien | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomradius | empirisch: 176 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kovalenter Radius | 189 ± 18 Uhr | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Spektrallinien von Erbium | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Andere Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Natürliches Vorkommen | urtümlich | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kristallstruktur | hexagonal dicht gepackt (hcp) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schallgeschwindigkeit dünner Stab | 2830 m/s (bei 20 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Wärmeausdehnung | poly: 12,2 µm/(m⋅K) ( rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Wärmeleitfähigkeit | 14,5 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektrischer widerstand | poly: 0,860 µΩ⋅m ( rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Magnetische Bestellung | paramagnetisch bei 300 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molare magnetische Suszeptibilität | +44 300 , 00 × 10 -6 cm 3 / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elastizitätsmodul | 69,9 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schubmodul | 28,3 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schüttmodul | 44,4 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
QUERKONTRAKTIONSZAHL | 0,237 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vickers-Härte | 430–700 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Brinellhärte | 600–1070 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS-Nummer | 7440-52-0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Geschichte | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Benennung | nach Ytterby (Schweden), wo es abgebaut wurde | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Entdeckung | Carl Gustaf Mosander (1843) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Haupt Isotope von Erbium | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Erbium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Er und der Ordnungszahl 68. Ein silbrig-weißes festes Metall, künstlich isoliert, natürliches Erbium kommt immer in chemischer Kombination mit anderen Elementen vor. Es ist ein Lanthanoid , ein Seltenerdelement , das ursprünglich in der Gadolinit- Mine in Ytterby , Schweden , gefunden wurde und daher den Namen des Elements hat.
Zu den Hauptanwendungen von Erbium gehören seine rosafarbenen Er 3+ -Ionen, die optische Fluoreszenzeigenschaften aufweisen, die bei bestimmten Laseranwendungen besonders nützlich sind. Erbium-dotierte Gläser oder Kristalle können als optische Verstärkungsmedien verwendet werden, bei denen Er 3+ -Ionen bei etwa 980 or . optisch gepumpt werden1480 nm und strahlen dann Licht bei1530 nm in stimulierter Emission. Dieses Verfahren führt zu einem mechanisch ungewöhnlich einfachen laseroptischen Verstärker für faseroptisch übertragene Signale. DasDie Wellenlänge von 1550 nm ist für die optische Kommunikation besonders wichtig, da optische Standard-Singlemode- Fasern bei dieser speziellen Wellenlänge einen minimalen Verlust aufweisen.
Neben optischen Faserverstärker-Lasern verlassen sich eine Vielzahl medizinischer Anwendungen (z. B. Dermatologie, Zahnmedizin) auf das Erbium-Ion Emission von 2940 nm (siehe Er:YAG-Laser ) bei Beleuchtung mit einer anderen Wellenlänge, die in Wasser in Geweben stark absorbiert wird, wodurch ihre Wirkung sehr oberflächlich ist. Eine solche flache Gewebeablagerung von Laserenergie ist in der Laserchirurgie hilfreich und für die effiziente Erzeugung von Dampf, der eine Schmelzablation durch übliche Arten von Dentallasern erzeugt .
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Ein dreiwertiges Element, reines Erbium Metall ist formbar (oder leicht geformt), weiche und dennoch an der Luft stabil und nicht oxidieren , so schnell wie einige andere Seltenerdmetalle . Seine Salze sind rosafarben, und das Element weist charakteristische scharfe Absorptionsspektrenbanden im sichtbaren Licht , im Ultraviolett und im nahen Infrarot auf . Ansonsten sieht es den anderen Seltenen Erden sehr ähnlich. Sein Sesquioxid wird Erbia genannt . Die Eigenschaften von Erbium werden bis zu einem gewissen Grad von der Art und Menge der vorhandenen Verunreinigungen bestimmt. Erbium spielt keine bekannte biologische Rolle, soll aber den Stoffwechsel anregen .
Erbium ist unter 19 K ferromagnetisch , zwischen 19 und 80 K antiferromagnetisch und über 80 K paramagnetisch .
Erbium kann Propeller-förmige Atomcluster Er 3 N bilden, wobei der Abstand zwischen den Erbiumatomen 0,35 nm beträgt. Diese Cluster können isoliert werden, indem sie in Fulleren- Moleküle eingekapselt werden, was durch Transmissionselektronenmikroskopie bestätigt wurde .
Chemische Eigenschaften
Erbiummetall behält seinen Glanz in trockener Luft, läuft jedoch in feuchter Luft langsam an und verbrennt leicht, um Erbium(III) -Oxid zu bilden :
- 4 Er + 3 O 2 → 2 Er 2 O 3
Erbium ist ziemlich elektropositiv und reagiert langsam mit kaltem Wasser und ziemlich schnell mit heißem Wasser zu Erbiumhydroxid:
- 2 Er (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Er(OH) 3 (wässrig) + 3 H 2 (g)
Erbiummetall reagiert mit allen Halogenen:
- 2 Er (s) + 3 F 2 (g) → 2 ErF 3 (s) [rosa]
- 2 Er (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 ErCl 3 (s) [violett]
- 2 Er (s) + 3 Br 2 (g) → 2 ErBr 3 (s) [violett]
- 2 Er (s) + 3 I 2 (g) → 2 ErI 3 (s) [violett]
Erbium löst sich leicht in verdünnter Schwefelsäure unter Bildung von Lösungen mit hydratisierten Er(III)-Ionen, die als rosarote [Er(OH 2 ) 9 ] 3+ Hydratationskomplexe vorliegen :
- 2 Er (s) + 3 H 2 SO 4 (wässrig) → 2 Er 3+ (wässrig) + 3 SO2−
4(wässrig) + 3 H 2 (g)
Isotope
Natürlich vorkommendes Erbium besteht aus 6 stabilen Isotopen ,162
Er
, 164
Er
, 166
Er
, 167
Er
, 168
Er
, und 170
Er
, mit 166
Er
die am häufigsten vorkommende (33,503% natürliche Häufigkeit ). 29 Radioisotope wurden charakterisiert, von denen das stabilste ist169
Er
mit einer Halbwertszeit von9,4 Tage ,172
Er
mit einer Halbwertszeit von 49,3 h ,160
Er
mit einer Halbwertszeit von 28.58 Uhr ,165
Er
mit einer Halbwertszeit von 10.36 Uhr , und171
Er
mit einer Halbwertszeit von 7.516 Std . . Alle verbleibenden radioaktiven Isotope haben Halbwertszeiten von weniger als3,5 h , und die meisten davon haben Halbwertszeiten von weniger als 4 Minuten. Dieses Element hat auch 13 Metazustände , wobei der stabilste ist167 m
Er
mit einer Halbwertszeit von 2,269 s .
Die Isotope von Erbium reichen im Atomgewicht von142.9663 u (143
Er
) zu 176.9541 u (177
Er
). Der primäre Zerfallsmodus vor dem am häufigsten vorkommenden stabilen Isotop,166
Er
, ist Elektroneneinfang , und der primäre Modus danach ist Beta - Zerfall . Die primären Zerfallsprodukte vor166
Er
sind Element 67 ( Holmium ) Isotope, und die Primärprodukte danach sind Element 69 ( Thulium ) Isotope.
Geschichte
Erbium (für Ytterby , ein Dorf in Schweden ) wurde entdeckt von Carl Gustaf Mosander in 1843. Mosander wurden mit einer Probe arbeiten , was gedacht wurde , das einzelne Metalloxid sein Yttriumoxid , aus dem Mineral abgeleitet Gadolinit . Er entdeckte, dass die Probe neben reinem Yttriumoxid noch mindestens zwei Metalloxide enthielt, die er nach dem Dorf Ytterby, in dem der Gadolinit gefunden worden war, „ Erbia “ und „ Terbia “ nannte. Mosander war sich der Reinheit der Oxide nicht sicher und spätere Tests bestätigten seine Unsicherheit. Das "Yttriumoxid" enthielt nicht nur Yttrium, Erbium und Terbium; In den folgenden Jahren entdeckten Chemiker, Geologen und Spektroskopiker fünf weitere Elemente: Ytterbium , Scandium , Thulium , Holmium und Gadolinium .
Erbia und Terbia wurden jedoch zu diesem Zeitpunkt verwechselt. Ein Spektroskopiker hat während der Spektroskopie fälschlicherweise die Namen der beiden Elemente vertauscht. Nach 1860 wurde Terbia in Erbia umbenannt und nach 1877 wurde das, was als Erbia bekannt war, in Terbia umbenannt. Ziemlich reines Er 2 O 3 wurde 1905 unabhängig voneinander von Georges Urbain und Charles James isoliert . Vernünftigerweise reines Metall Erbium wurde erst 1934 , als produziert Wilhelm Klemm und Heinrich Bommer reduziert die wasserfreie Chlorid mit Kaliumdampf. Erst in den 1990er Jahren wurde der Preis für aus China stammendes Erbiumoxid so niedrig, dass Erbium als Farbstoff in Kunstglas verwendet werden konnte.
Auftreten
Die Erbiumkonzentration in der Erdkruste beträgt etwa 2,8 mg/kg und im Meerwasser 0,9 ng/L. Diese Konzentration reicht aus, um Erbium in der Elementhäufigkeit der Erdkruste auf den 45. Platz zu bringen .
Wie andere Seltene Erden kommt dieses Element in der Natur nie als freies Element vor, sondern wird in Monazit- Sanderzen gebunden gefunden . Es ist in der Vergangenheit sehr schwierig und teuer gewesen in ihrem Erzen voneinander Seltene Erden zu trennen , aber Ionenaustausch im späten 20. Jahrhundert entwickelten Chromatographie - Verfahren sind auf den Kosten der Produktion aller Seltenerdmetalle und deren stark gebracht chemischen Verbindungen .
Die wichtigsten kommerziellen Erbiumquellen stammen aus den Mineralien Xenotim und Euxenit und in jüngster Zeit aus den Ionenadsorptionstonen Südchinas; Infolgedessen ist China inzwischen der weltweit wichtigste Lieferant dieses Elements. In den yttriumreichen Versionen dieser Erzkonzentrate macht Yttrium etwa zwei Drittel des Gesamtgewichts aus und Erbium etwa 4–5%. Wenn das Konzentrat in Säure aufgelöst wird, setzt das Erbium genügend Erbium-Ionen frei, um der Lösung eine deutliche und charakteristische rosa Farbe zu verleihen. Dieses Farbverhalten ähnelt dem, was Mosander und die anderen frühen Arbeiter der Lanthaniden in ihren Extrakten aus den Gadolinitmineralen von Ytterby gesehen hätten.
Produktion
Zerkleinerte Mineralien werden von Salz- oder Schwefelsäure angegriffen , die unlösliche Seltenerdoxide in lösliche Chloride oder Sulfate umwandelt. Die sauren Filtrate werden mit Natronlauge (Natriumhydroxid) teilweise auf pH 3-4 neutralisiert. Thorium fällt als Hydroxid aus der Lösung aus und wird entfernt. Danach wird die Lösung mit Ammoniumoxalat behandelt , um Seltene Erden in ihre unlöslichen Oxalate umzuwandeln . Die Oxalate werden durch Glühen in Oxide umgewandelt. Die Oxide werden in Salpetersäure gelöst , die eine der Hauptkomponenten ausschließt, Cer , dessen Oxid in HNO 3 unlöslich ist . Die Lösung wird mit Magnesiumnitrat behandelt , um eine kristallisierte Mischung von Doppelsalzen von Seltenerdmetallen herzustellen . Die Salze werden durch Ionenaustausch getrennt . Bei diesem Verfahren werden Seltenerd-Ionen an ein geeignetes Ionenaustauscherharz durch Austausch mit im Harz vorhandenen Wasserstoff-, Ammonium- oder Kupferionen sorbiert. Die Seltenerdionen werden dann durch geeignete Komplexbildner selektiv ausgewaschen. Erbiummetall wird aus seinen Oxiden oder Salzen durch Erhitzen mit Calcium at . gewonnen1450 °C unter Argonatmosphäre.
Anwendungen
Der alltägliche Gebrauch von Erbium ist vielfältig. Es wird häufig als fotografischer Filter verwendet und ist aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit als metallurgischer Zusatzstoff nützlich.
Laser und Optik
Eine Vielzahl medizinischer Anwendungen (z. B. Dermatologie, Zahnmedizin) verwenden Erbiumionen 2940 nm Emission (siehe Er:YAG-Laser ), die in Wasser stark absorbiert wird ( Absorptionskoeffizient ca12 000 /cm ). Eine solche flache Gewebeablagerung von Laserenergie ist für die Laserchirurgie und die effiziente Erzeugung von Dampf für die Laserschmelzablation in der Zahnheilkunde notwendig.
Erbium-dotierte optische Quarzglasfasern sind das aktive Element in Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFAs), die in der optischen Kommunikation weit verbreitet sind . Die gleichen Fasern können verwendet werden , Fasern zu schaffen Laser . Um effizient zu arbeiten, wird Erbium-dotierte Faser üblicherweise mit Glasmodifizierern/Homogenisierern, oft Aluminium oder Phosphor, co-dotiert. Diese Dotierstoffe tragen dazu bei, eine Clusterbildung von Er-Ionen zu verhindern und die Energie effizienter zwischen Anregungslicht (auch als optische Pumpe bekannt) und dem Signal zu übertragen. Die Co-Dotierung von Glasfasern mit Er und Yb wird in Hochleistungs-Er/Yb-Faserlasern verwendet . Erbium kann auch in Erbium-dotierten Wellenleiterverstärkern verwendet werden .
Metallurgie
Wenn es Vanadium als Legierung zugesetzt wird , verringert Erbium die Härte und verbessert die Bearbeitbarkeit. Eine Erbium- Nickel- Legierung Er 3 Ni hat eine ungewöhnlich hohe spezifische Wärmekapazität bei Flüssig-Helium-Temperaturen und wird in Kryokühlern verwendet ; eine Mischung aus 65 Vol .- % Er 3 Co und 35 Vol .- % Er 0,9 Yb 0,1 Ni verbessert die spezifische Wärmekapazität noch weiter.
Färbung
Erbiumoxid hat eine rosa Farbe und wird manchmal als Farbstoff für Glas , Zirkonia und Porzellan verwendet . Das Glas wird dann oft in Sonnenbrillen und billigem Schmuck verwendet .
Andere
Erbium wird in der Kerntechnik in neutronenabsorbierenden Regelstäben verwendet .
Biologische Rolle
Erbium spielt keine biologische Rolle, aber Erbiumsalze können den Stoffwechsel anregen . Der Mensch nimmt durchschnittlich 1 Milligramm Erbium pro Jahr zu sich. Die höchste Erbiumkonzentration beim Menschen befindet sich in den Knochen , aber auch in den Nieren und der Leber des Menschen .
Toxizität
Erbium ist bei Einnahme leicht toxisch, Erbiumverbindungen sind jedoch nicht toxisch. Metallisches Erbium in Staubform stellt eine Brand- und Explosionsgefahr dar.
Verweise
Weiterlesen
- Guide to the Elements – Revised Edition , Albert Stwertka (Oxford University Press; 1998), ISBN 0-19-508083-1 .