Эрбий химический элемент

Эрбий это химический элемент, простое вещество, относится к группе лантаноидов. Он встречается в природе в составе некоторых минералов, но не в чистом виде.

Представляет собой мягкий, пластичный металл серебристо-белого цвета, который можно получить из его соединений.

Используется в различных технологических областях, например, в лазерах, оптических волокнах и ядерной энергетике.

Что такое эрбий

[ Erbium; от назв. селения Иттербю (Ytterby) в Швеции], Еr — химический элемент 3-й группы шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Атомный номер 68, атомная масса 167,26; относится к редкоземельным элементам.

Металл светло-серого цвета. В соединениях проявляет степень окисления + 3 (валентность III).

Эрбий открыл в 1843 швед, химик К. Г. Мозандер.

Металлический эрбий получили американские ученые А. Даан и Ф. Спеддинг.

Содержание эрбия в земной коре 4—6 X 10^-4 %. Основными минералами эрбий являются ксенотим и эвксенит.

История открытия эрбия

Был открыт шведским химиком и минералогом Карлом Густавом Мосандером в 1843 году.

Он сделал это, изучая минерал гадолинит (также известный как иттербит), который был найден в карьере возле города Иттербю в Швеции.

Мосандер работал в Королевском Каролинском институте в Стокгольме.

Мосандер подверг гадолинит сложным химическим процессам, в результате которых смог выделить оксиды трёх новых элементов, которые он назвал:

1. Оксид тербия (тербиевая земля).
2. Оксид эрбия (эрбиевая земля).
3. Оксид иттербия.

Мосандер сумел подтвердить их существование, изолировав эти оксиды от других компонентов минерала.

Имена элементов были образованы от названия деревни Иттербю, которая стала настоящей сокровищницей для химиков, поскольку именно там были открыты сразу несколько редких земель (иттербий, эрбий, тербий, иттрий).

Сам чистый металлический эрбий был выделен значительно позже, лишь в 1934 году, немецким химиком Вильгельмом Клеммом и его коллегами.

Именно работы Мосандера положили начало исследованию целой группы элементов, которые сейчас известны как лантаноиды, что стало важным шагом в развитии периодической системы.

Физические свойства

Кристаллическая решетка эрбия— гексагональная плотноупакованная типа магния, с  периодами   а = 3,560 А  и  с =5,595 А (т-ра 25° С).

Плотность (т-ра 20° С) 9,045 г/см3; t_пл1522°С; t_кип 2510° С.

Коэфф.   термического расширения 12,3 • 10^-6 град-1 ; теплоемкость 6,72 кал/г-атом • град; электрическое сопротивление 86 мком •см; Кюри точка 19,6 К.

Модуль норм, упругости 7480 кгс/мм²; модуль сдвига 3020 кгс/мм²; коэфф. Пуассона 0,238; HV = 50 — 60; предел прочности на растяжение 28,6 кгс/мм².

Химические свойства

На воздухе окисляется. Образует сплавы и соединения со многими элементами.

Окисление: Эрбий медленно тускнеет на воздухе, покрываясь слоем оксида эрбия (Er₂​O₃).

При нагревании на воздухе он сгорает, образуя тот же оксид:

4Er + 3O₂​ → 2Er₂​O₃​

Реакция с водой: Он медленно реагирует с холодной водой и быстро — с горячей, выделяя водород и образуя гидроксид эрбия:

2Er + 6H_2​O → 2Er(OH)₃​ + 3H₂​

Реакция с кислотами: Эрбий легко растворяется в разбавленных кислотах, образуя соли:

2Er + 3H₂​SO₄​ → Er₂​(SO₄​)₃ ​+ 3H₂​

Образование галогенидов: Он реагирует с галогенами (фтором, хлором, бромом, иодом) при нагревании, образуя соответствующие галогениды:

2Er + 3Cl₂​ → 2ErCl₃​

Термическая стабильность: Соединения эрбия, особенно его оксид (Er₂​O₃​), термически очень стабильны.

В большинстве своих соединений эрбий проявляет степень окисления +3, что является наиболее стабильным состоянием для всех лантаноидов.

Растворы солей эрбия часто имеют характерный розовый или розово-фиолетовый цвет.

Изотопы

У эрбия 34 известных изотопа, из которых 6 являются стабильными и встречаются в природе.

Стабильные изотопы

Природный эрбий состоит из смеси следующих стабильных изотопов:

Эрбий-166 (¹⁶⁶Er) — самый распространённый (33,503% от общего количества).

Эрбий-168 (¹⁶⁸Er) — (26,978%)

Эрбий-167 (¹⁶⁷Er) — (22,869%)

Эрбий-170 (¹⁷⁰Er) — (14,933%)

Эрбий-164 (¹⁶⁴Er) — (1,601%)

Эрбий-162 (¹⁶²Er) — (0,139%)

Радиоактивные изотопы

Остальные изотопы эрбия — радиоактивны. Они распадаются со временем и не встречаются в значительных количествах в природе.

Наиболее стабильным среди них является эрбий-169 (¹⁶⁹Er) с периодом полураспада 9,4 дня.

Радиоактивные изотопы обычно используются в научных исследованиях и некоторых медицинских целях.

Получение

Эрбий получают металлотермическим восстановлением фторида кальцием, а затем дистиллируют для удаления примесей.

Методы получения эрбия сильно изменились с момента его открытия.

✅ Как получали эрбий раньше

В XIX и начале XX века получение чистого эрбия было крайне сложным и трудоёмким процессом.

Его выделяли из минералов, таких как гадолинит, который был найден в Швеции.

Процесс включал в себя множество этапов фракционного осаждения и кристаллизации.

Химики последовательно отделяли оксиды разных редкоземельных элементов.

Этот метод был крайне неэффективным, требовал много времени (несколько лет) и позволял получить лишь небольшое количество относительно чистого оксида.

Чистый металлический эрбий был впервые получен только в 1934 году путём восстановления безводного хлорида эрбия (ErCl₃​) парами калия.

✅ Как получают эрбий сейчас

Современные методы получения эрбия стали гораздо более эффективными и позволяют производить его в промышленных масштабах.

Основное сырьё для получения — минералы ксенотим и эвксенит.

➡️ Процесс состоит из двух основных этапов:

Разделение редкоземельных элементов:

Сначала минералы измельчаются и обрабатываются кислотами (соляной или серной) для перевода редкоземельных оксидов в растворимые соли.

➡️ Затем из раствора удаляют примеси, такие как торий и железо.

Ключевой и самый сложный этап — разделение смеси редкоземельных элементов.

Сегодня для этого используют жидкостную экстракцию и ионообменную хроматографию.

Эти методы позволяют эффективно разделить элементы, которые имеют очень схожие химические свойства.

✅ Получение чистого металла:

Полученный оксид эрбия (Er₂​O₃​) перерабатывают в безводный фторид (ErF₃​).

Затем металлический эрбий получают путём восстановления фторида кальцием при высокой температуре (около 1450 °C) в инертной атмосфере (аргоне).

2ErF₃​ + 3Ca → 2Er + 3CaF₂​

Этот процесс является основным для промышленного производства чистого металлического эрбия.

Выпускают в виде небольших слитков.

Применение

Чистый металл эрбий применяют для исследовательских целей.

К перспективным относятся сплавы и соединения эрбия (с кобальтом, железом и никелем) для приготовления магн. материалов и др.

Имеет широкий спектр применения, особенно в сферах высоких технологий, благодаря своим уникальным оптическим и магнитным свойствам.

✅ Основные области применения эрбия:

➡️ Волоконно-оптические коммуникации: Это наиболее важное применение эрбия. Оптическое волокно, легированное (дополненное) ионами эрбия (Er³⁺), используется в усилителях оптических сигналов.

Когда через такое волокно проходит слабый световой сигнал, он усиливается без необходимости преобразования в электрический сигнал.

Это позволяет передавать данные на огромные расстояния (тысячи километров) по оптоволоконным сетям без потери качества, что является основой современного интернета и телекоммуникаций.

➡️ Лазерная техника: Ионы эрбия используются в различных типах лазеров.

Эрбиевые лазеры (например, Er:YAG-лазеры) излучают свет в инфракрасном диапазоне (2,94 мкм), который сильно поглощается водой в тканях.

Это делает их идеальными для использования в медицине (дерматология, косметология, стоматология) для шлифовки кожи, удаления новообразований и точной хирургии.

Также эрбиевые лазеры используются в военной сфере для дальномеров.

➡️ Стекло и керамика: Оксид эрбия (Er₂​O₃​) используется как краситель для стекла и керамики.

Он придаёт им красивый розовый или розово-фиолетовый оттенок, который используется в ювелирной и художественной промышленности.

➡️ Металлургия:  добавляют в качестве легирующей добавки в некоторые сплавы, например, с ванадием, чтобы сделать металл более мягким и удобным для обработки.

➡️ Ядерная энергетика: Имеет высокое сечение захвата тепловых нейтронов, что делает его полезным в качестве материала для регулирования и поглощения нейтронов в ядерных реакторах.

➡️ Электроника и магнитные материалы: Может использоваться в производстве микроэлектроники и в качестве компонента некоторых сплавов с особыми магнитными свойствами, которые исследуются для применения в магнитных холодильниках.

Литература

Савицкий Е. М. [и др. ]. Сплавы редкоземельных металлов. Савицкий Е.М., Терехова В. Ф. Металловедение редкоземельных металлов.

 Часто задаваемые вопросы