Erbij

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
(Preusmjereno sa Erbijum)
Idi na: navigacija, traži
Erbij
[Xe] 4f126s2 68Er
   
Periodni sistem elemenata
Općenito
Hemijski element, Simbol, Atomski broj Erbij, Er, 68
Serija Lantanoidi
Grupa, Perioda, Blok La, 6, f
Izgled srebrenobijeli metal
Zastupljenost 2,3 · 10-4[1] %
Atomske osobine
Atomska masa 167,26 u
Atomski radijus (izračunat) 175,7 (-) pm
Kovalentni radijus 157 pm
Van der Waalsov radijus - pm
Elektronska konfiguracija [Xe] 4f126s2
Broj elektrona u energetskom nivou 2, 8, 18, 30, 8, 2
1. energija ionizacije 589,3 kJ/mol
2. energija ionizacije 1150 kJ/mol
3. energija ionizacije 2194 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje čvrsto
Kristalna struktura heksagonalna
Gustoća 9045[2] kg/m3
Magnetizam paramagnetičan
Tačka topljenja 1802 K (1529 °C)
Tačka ključanja 3175[3] K (2900 °C)
Molarni volumen 18,4 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja 280[3] kJ/mol
Toplota topljenja 19,9 kJ/mol
Brzina zvuka m/s
Specifična toplota 168 J/(kg · K) kod 300 K
Specifična električna provodljivost 1,16 · 106 S/m
Toplotna provodljivost 15 W/(m · K) kod 300 K
Hemijske osobine
Oksidacijsko stanje 3
Elektrodni potencijal -2,31 V (Er3+ + 3e- → Er)
Elektronegativnost 1,24 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR
162Er

0,14 %

Stabilan
163Er

sin

75 min ε 1,21 163Ho
164Er

1,61 %

Stabilan
165Er

sin

10,36 h ε 0,376 165Ho
166Er

33,6 %

Stabilan
167Er

22,95 %

Stabilan
168Er

26,8 %

Stabilan
169Er

sin

9,4 d β- 0,351 169Tm
170Er

14,9 %

Stabilan
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja

Lahko zapaljivo

F
Lahko zapaljivo
Obavještenja o riziku i sigurnosti R: 11
S: 43
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se SI osnovne jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Erbij (latinski - erbium) jeste hemijski element koji spada u grupu lantanoida. Označava se simbolom Er i ima atomski broj 68. Izgleda je srebrenasto-bijelog, čvrsti metal, koji je vještački izoliran, a prirodni erbij može se pronaći samo u hemijskim spojevima sa drugim elementima na Zemlji. Kao takav, on spada u rijetke zemne elemente koji su povezani sa drugim rijetkim elementima u mineralu gadolinitu iz švedskog sela Ytterbyja. Osim njega, još tri hemijska elementa dobila su ime po ovom gradu.

Osnovna upotreba erbija uključuje njegove ružičasto obojene Er3+ ione, koji imaju optičke fluorescentne osobine djelomično korisne u određenim laserskim aplikacijama. Staklo dopirano erbijem ili kristalima može se koristiti kao optički medij za amplificiranje, gdje se ioni erbija (III) optički upumpavaju pri oko 980 nm ili 1480 nm te emitiraju svjetlost na 1530 nm u stimuliranoj emisiji. Ovaj proces rezultira neobično jednostavnim mehaničkim laserskim optičkim pojačivačem za signale koji se prenose optičkim vlaknima. Talasna dužina od 1550 nm posebno je važna za optičke komunikacije jer standardno pojedinačno optičko vlakno ima minimalni gubitak na ovoj određenoj talasnoj dužini. Osim u laserima s optičkim vlaknima, veliki broj medicinskih aplikacija (kao što su dermatološke i stomatološke) koriste emisiju iona erbija na 2940 nm (Er:YAG laser), koji se jako dobro apsorbira u vodi sadržanoj u tkivima, što ovom laseru daje vrlo površne efekte. Takvo plitko djelovanje laserske energije na tkivo vrlo je korisno u laserskoj hirurgiji.

Osobine[uredi | uredi izvor]

Fizičke osobine[uredi | uredi izvor]

Erbij(III)hlorid pri sunčevoj svjetlosti pokazuje blagu ružičastu fluorescenciju Er+3 zbog prirodne ultraljubičaste

Valencija erbija je 3, čisti metalni erbij je kovan, mehkan metal, stabilan u prisustvu zraka i lahko se oblikuje. Ne oksidira brzo poput nekih drugih rijetkih zemnih metala. Njegove soli su ružičaste, a element ima karakteristične oštre vrpce apsorpcijskog spektra u vidljivoj, ultraljubičastoj i blizu infracrvene svjetlosti. Po ostalim osobinama uglavnom je poput ostalih rijetkih zemnih metala.

Njegov seskvioksid naziva se erbija. Osobine erbija su u izvjesnom stepenu određene vrstom i količinom nečistoća koje se u njemu nalaze. Nije poznato da erbij ima neku biološku ulogu, ali se smatra da u određenoj mjeri stimulira metabolizam.[4] Na temperaturi ispod 19 K ispoljava feromagnetske osobine, na temperaturama između 19 i 80 K je antiferomagnetičan, dok je iznad 80 K paramagnetičan.[5]

Erbij može formirati atomski klaster Er3N u obliku propelera, gdje je udaljenost između atoma erbija 0,35 nm. Takvi klasteri mogu se izolirati tako što se okruže molekulom fulerena, što je i potvrđeno posmatranjima elektronskim transmisijskim mikroskopom.[6]

Hemijske osobine[uredi | uredi izvor]

Metalni erbij polahko tamni u prisustvu zraka i lahko gori dajući erbij(III) oksid:

4 Er + 3 O2 → 2 Er2O3

Erbij je jako elektropozitivan i polaho reagira sa hladnom vodom a relativno brzo sa vrućom vodom, te daje erbij hidroksid:

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

Metalni erbij reagira sa svim halogenim elementima:

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

Erbij se lahko otapa u razblaženoj sumpornoj kiselini i formira otopine koje sadrže hidratizirane ione Er(III), koji postoje kao ružičasto-crveni [Er(OH2)9]3+ hidrirani kompleksi:[7]

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

Izotopi[uredi | uredi izvor]

Erbij koji se nalazi u prirodi sastoji se iz 6 stabilnih izotopa: 162Er, 164Er, 166Er, 167Er, 168Er i 170 od koji je izotop 166Er ima najveći udio (oko 33,503%). Do danas je poznato 29 radioizotopa, od kojih je najstabilniji izotop 169Er sa vremenom poluraspada od 9,4 dana, te izotop 172Er sa poluvremenom raspada od 49,3 sati. Osim ovih, nešto stabilniji su i izotopi 160Er sa poluvremenom raspada od 28,58 sati, 165Er sa poluvremenom raspada od 10,36 sati i 171Er sa poluvremenom raspada od 7,516 sati. Svi ostali radioaktivni izotopi imaju vremena poluraspada kraća od 3,5 sata, a većina ovih izotopa čak i kraća od 4 minute. Ovaj hemijski element ima i 13 nuklearnih izomera, od kojih je najstabilniji 167mEr sa vremenom poluraspada od 2,269 sekundi.[8]

Izotopi erbija imaju atomsku masu između 142,9663 u (143Er) i 176,9541 u (177Er). Primarni način raspada kod izotopa sa manjom atomskom masom od izotopa 166Er je elektronski zahvat, a najzastupljeniji način raspada kod težih izotopa je beta raspad. Primarni proizvod raspada prije izotopa 166Er su izotopi elementa 67 (holmij), a primarni proizvodi izotopa nakon 166Er su izotopi elementa 69 (tulij).[8]

Historija[uredi | uredi izvor]

Erbij (od naziva švedskog sela Ytterby) je otkrio Carl Gustaf Mosander 1843. godine[9] Mosander je izdvojio itriju iz minerala gadolinita u tri frakcije koje je on nazvao itrija, erbija i terbija. Novi element je nazvao po selu Ytterby gdje su se nalazile velike koncentracije itrije i erbija. Erbija i terbija su se često zabunom pogrešno identificirale između sebe. Nakon 1860. godine, terbija je preimenovana u erbija a nakon 1877. godine ono što je ranije bilo poznato kao erbija dobilo je ime terbija. Prilično čisti Er2O3 su nezavisno jedan od drugog izolirali Georges Urbain i Charles James 1905. godine. Dosta čišći metal nije proizveden sve do 1934. godine kada su Klemm i Bommer redukovali anhidrirani hlorid sa parama kalija. Tek u 1990tim je cijena erbij oksida kineske proizvodnje je opala u dovoljnoj mjeri da se erbij počne razmatrati kao boja za umjetničko staklo.[10]

Rasprostranjenost[uredi | uredi izvor]

Monacitni pijesak

Koncentracija erbija u Zemljinoj kori se procjenjuje na oko 2,8 mg/kg, a u morskoj vodi na oko 0,9 ng/l.[11] Sa ovolikom koncentracijom, erbij se nalazi na približno 45. mjestu najrasprostranjenijih elemenata u Zemljinoj kori. Kao i drugi rijetki zemni metali, ovaj element se nikad ne može naći u slobodnom elementarnom stanju, već uglavnom u rudama monacitnog pijeska. U prošlosti je bilo vrlo teško i skupo odvajati rijetke zemne metale jedan od drugog iz njihovih ruda, ali nakon što je razvijena tehnika proizvodnje na bazi ionske razmjene[12] krajem 20. vijeka, značajno je snizilo troškove proizvodnje svih rijetkih zemnih metala i njihovih hemijskih spojeva.

Osnovni komercijalni izvori erbija su iz minerala ksenotima i euksenita, te odnedavno putem ionske adsorpcije gline iz južne Kine; što je dovelo Kinu na poziciju najvećeg i osnovnog globalnog dobavljača ovog elementa. U verzijama ovih rudnih koncentrata sa visokim udjelom itrija, na itrij otpada oko dvije trećine ukupne težine, dok na erbiju oko 4 do 5%. Kada je koncentrat rastvoren u kiselini, ruda erbija oslobađa dovoljno iona elementarnog erbija da se rastvor oboji u karakterističnu ružičastu boju. Ova boja se ponaša slično kao što su Mosander i drugi rani istraživači lantanoida primijetili u svojim ekstraktima minerala gadolinita iz Ytterbyja.

Najvažniji minerali erbija jesu:

Proizvodnja[uredi | uredi izvor]

Isitnjeni minerali se tretiraju hlorovodoničnom ili sumpornom kiselinom koje transformiraju nerastvorljive okside rijetkih zemnih metala u rastvorljive hloride ili sulfate. Ovi kiselinski filtrati se djelimično neutraliziraju sa kaustičnom sodom (natrij hidroksid) do pH vrijednosti 3-4. Iz rastvora se istaloži torij kao hidroksid te se odvaja. Nakon što se rastvor tretira amonij oksalatom, rijetki zemni metali se pretvaraju u svoje nerastvorljive oksalate. Oksalati se zatim žarenjem konvertiraju u okside. Poslije toga se oksidi rastvaraju u dušičnoj kiselini da bi se izdvojio jedan od osnovnih sastojaka, cerij, čiji oksidi nisu rastvorljivi u HNO3. Zatim se rastvor tretira magnezij nitratom da bi se dobila kristalizirana mješavina dvostrukih soli rijetkih zemnih metala. Ove soli se putem ionske izmjenjivačke tehnike odvajaju. U ovom procesu, ioni rijetkih zemnih metala se sorbiraju na odgovarajući ostatak ionske izmjene putem zamjene sa vodonikom, amonijevim ili bakarnim ionima koji su sadržani u ostatku. Nakon toga, ioni rijetkih zemnih metala se selektivno ispiraju odgovarajućim kompleksnim sredstvom.[11] Metalni erbij se dobija iz svojih oksida ili soli zagrijavanjem sa kalcijem na temperaturu od 1450 °C u atmosferi argona.[11]

Upotreba[uredi | uredi izvor]

Staklo obojeno erbijem

Svakodnevna upotreba erbija je raznovrsna. Obično se koristi kao fotografski filter zbog svoje elastičnosti je koristan i kao metalurški aditiv. Upotrebljava se između ostalog:

  • U nuklearnog tehnologiji za apsorpciju neutrona u kontrolnim šipkama.[4][13]
  • Kada se doda vanadiju kao legura, erbij snižava tvrdoću legure i poboljšava njenu obradivost.[14]
  • Erbij oksid ima ružičastu boju, te se ponekad koristi kao boja za staklo i porcelan. Takvo staklo se često koristi za sunčane naočale i izradu jeftinog nakita.[14]
  • Optička silikatno-staklena vlakna se dopiraju erbijem te se koriste kao aktivni element u vlaknastim pojačalima (EDFA) u optičkim komunikacijama.[15] Ista vlakna se koriste i za pravljenje lasera od vlakana. Da bi efikasno radila, vlakna dopirana erbijem se obično dodatno dopiraju sa modifikatorima stakla, ponekad i aluminijem ili fosforom. Ovi dopanti pomažu da se spriječe nakupine Er-iona i da se prijenos energije između Er iona i signala dešava efikasnije. Ko-dopiranje optičkih vlakana sa Er i Yb se koristi u snažnim Er/Yb vlaknastim laserima. Erbij se također može koristiti i za optička pojačala.[4]
  • Legura erbija i nikla Er3Ni ima neobično visok specifični toplotni kapacitet na temperaturama tečnog helija i koristi se za kriorashlađivače; mješavina od 65% Er3Co i 35% Er0,9Yb0,1Ni po zapremini čak dodatno poboljšava specifični toplotni kapacitet[16][17]
  • Veliki broj medicinskih aplikacija (naprimjer dermatološke i stomatološke) koriste emisiju iona erbija (Er:YAG laser), koja se dosta apsorbira u vodi (koeficijent apsorpcije oko 12000/cm). Takva plitko djelovanje laserske energije u tkivu je neophodno pri laserskim operacijama, te efikasnu proizvodnju pare za lasersko odstranjivanje cakline u stomatologiji.

Biološki značaj[uredi | uredi izvor]

Erbij nema poznatu biološku ulogu, međutim smatra se da soli erbija mogu stimulirati metabolizam. Prosječna osoba konzumira oko 1 mg erbija godišnje. Najveća koncetracija erbija u ljudskom organizmu je u kostima, a dokazano je njegovo prisustvo i u bubrezima i jetri.[4] Erbij se smatra neznatno otrovan, ako se proguta, međutim spojevi erbija nisu otrovni.[4] Metalni erbij u obliku praha predstavlja opasnost od požara i eksplozije.[18]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
  2. ^ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. izdanje, VCH, Weinheim 1988, str. 1579, ISBN 3-527-26169-9
  3. ^ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. u: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, str. 328–337, doi:10.1021/je1011086
  4. ^ a b c d e Emsley, John (2001). “Erbium”, Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, 136–139, Oxford, England, UK: Oxford University Press ISBN 0-19-850340-7.
  5. ^ M. Jackson (2000). "Magnetism of Rare Earth". The IRM quarterly 10 (3).
  6. ^ Yuta Sato; Kazu Suenaga; Shingo Okubo; Toshiya Okazaki; Sumio Iijima (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).
  7. ^ Chemical reactions of Erbium.
  8. ^ a b Georges, Audi (2003). "The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties". Nuclear Physics A 729: 3–128.
  9. ^ C. G. Mosander (October 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, series 3, vol. 23, no. 152, str. 241–254.
  10. ^ Aaron John Ihde (1984). The development of modern chemistry, 378–379, Courier Dover Publications ISBN 0-486-64235-6.
  11. ^ a b c Patnaik, Pradyot (2003). Handbook of Inorganic Chemical Compounds, 293–295, McGraw-Hill ISBN 0-07-049439-8.
  12. ^ Spedding, et. al., F.H. (1954). "A practical separation of yttrium group rare earths from gadolinite by ion-exchange". Chemical Engineering Progress 50: 7–15.
  13. ^ urednici Theodore A. Parish, Vyacheslav V. Khromov, Igor Carron. (1999). “Use of UraniumErbium and PlutoniumErbium Fuel in RBMK Reactors”, Safety issues associated with Plutonium involvement in the nuclear fuel cycle, 121–125, CBoston: Kluwer ISBN 978-0-7923-5593-9.
  14. ^ a b C. R. Hammond (2000). The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81. izd., CRC press ISBN 0-8493-0481-4.
  15. ^ P.C. Becker, N.A. Olsson, J.R. Simpson ; (1999). Erbium-doped fiber amplifiers fundamentals and technology, San Diego: Academic Press ISBN 978-0-12-084590-3.
  16. ^ Peter Kittel Advances in Cryogenic Engineering volume 39a.
  17. ^ Ackermann, Robert A. (1997). Cryogenic Regenerative Heat Exchangers, Springer ISBN 978-0-306-45449-3.
  18. ^ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/5921895 doi:10.1002/jps.2600540502 doi:10.1016/0041-008X(63)90067-X
Commons logo
U Wikimedijinom spremniku se nalazi još materijala vezanih uz: