Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение эрбий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 175 pm — это 0,175 нм, поэтому около 2,86 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Эрбий находится в жидком состоянии в диапазоне 1339 K — от 1802 K до 3141 K.
История
Редкоземельный элемент, поддерживающий работу интернета: эрбий усиливает свет внутри оптоволоконного кабеля.
Открыватель: Carl Gustaf Mosander в Стокгольме, Швеция (1843)
Название дано в честь: Иттерби, Швеция — знаменитого карьера, давшего названия четырём элементам
Открытие эрбия стало результатом мастерского систематического подхода Carl Gustaf Mosander к разделению редкоземельных элементов. Работая в Каролинском институте в Стокгольме, Mosander уже открыл лантан и дидим, когда в 1843 году обратил внимание на минерал гадолинит из карьера Иттерби.
Mosander предположил, что фракция «иттрия» из гадолинита содержит несколько неизвестных элементов. Используя усовершенствованные методы дробной кристаллизации, он начал кропотливый процесс разделения смешанных оксидов. Работа требовала исключительного терпения: каждый цикл кристаллизации занимал несколько недель, а для эффективного разделения требовались сотни циклов.
В ходе систематической дробной кристаллизации соединений иттрия Mosander выделил три различных компонента: иттрия (белая), эрбия (розовая) и тербия (жёлтая). Позднее другие химики поменяли местами первоначально установленные им цвета эрбии и тербии, однако его основная работа по разделению сохранила свою ценность.
Mosander назвал свою розовую фракцию «эрбия» в честь Иттерби, продолжив традицию чествовать удивительное шведское месторождение, уже давшее название иттрию. Он и не подозревал, что это же месторождение в итоге даст названия четырём разным элементам.
Открытие эрбия Mosander вызвало значительный скептицизм среди химиков того времени, сомневавшихся, что столь незначительные химические различия действительно могут указывать на существование отдельных элементов. Химические свойства эрбия настолько сходны со свойствами других редкоземельных элементов, что многие учёные подвергали сомнению его элементную природу.
Окончательное доказательство элементной природы эрбия было получено благодаря спектроскопическому анализу в 1860-х годах, когда характерные линии поглощения однозначно подтвердили существование уникального элемента.
Небольшой шведский карьер в Иттерби обладает уникальным отличием: он дал названия четырём элементам — иттрию, иттербию, тербию и эрбию. Ни одно другое место на Земле не внесло большего вклада в названия элементов, поэтому Иттерби стало местом паломничества для любителей химии со всего мира.
Тщательная работа Mosander по разделению веществ в XIX веке заложила основу для понимания химии лантаноидов. Его «эрбия», когда-то считавшаяся лишь химической диковинкой, теперь обеспечивает глобальную телекоммуникационную инфраструктуру стоимостью в триллионы долларов. Элемент, который Mosander кропотливо отделял крупицу за крупицей, теперь передаёт мировой интернет-трафик со скоростью света.
Чистый металлический эрбий удалось выделить лишь в 1934 году, почти через столетие после открытия Mosander, что демонстрирует исключительную сложность технических задач, которые он решил, располагая только аналитическими методами XIX века.
Применение
Эрбий незаметно стал настоящим героем глобальных телекоммуникаций, обеспечивая работу интернета на привычных нам сегодня скоростях и с нужной пропускной способностью. Этот удивительный редкоземельный элемент используется в волоконно-оптических сетях, по которым передаётся практически весь международный трафик данных, что делает его буквально незаменимым для современной цифровой цивилизации.
Эрбиевые волоконные усилители (EDFA) — технологическое чудо, благодаря которому стала возможной дальняя волоконно-оптическая связь. При возбуждении лазерами накачки ионы эрбия усиливают оптические сигналы на критической длине волны 1,55 микрометра, где оптические волокна имеют минимальные потери сигнала. Без эрбиевых усилителей просмотр Netflix, видеозвонки и работа в интернете были бы невозможны на расстояниях свыше 40 километров.
Каждый трансокеанский интернет-кабель, каждый междугородный телефонный звонок и практически весь высокоскоростной интернет-трафик проходят через эрбиевые усилители. Эти устройства могут усиливать оптические сигналы в 1000 и более раз, сохраняя идеальное качество сигнала и обеспечивая передачу данных между континентами со скоростью света.
Эрбиевые стеклянные лазеры играют важную роль в военных дальномерах и системах целеуказания. Эти безопасные для глаз лазеры работают на длинах волн, не повреждающих зрение человека, что делает их идеальными для применения на поле боя, где первостепенное значение имеют точность и безопасность. Современные военные системы используют эрбиевые лазеры для наведения ракет, картографирования местности и скрытой связи.
Эрбиевые:YAG-лазеры произвели революцию в косметологических и медицинских процедурах, особенно в дерматологии и стоматологии. Работая на длине волны 2,94 микрометра, эти лазеры идеально поглощаются водой в тканях человека, обеспечивая исключительно точную абляцию с минимальным термическим повреждением. Эрбиевые лазеры могут удалять морщины, шрамы и повреждённую кожу слой за слоем с беспрецедентным контролем.
Соединения эрбия применяются в сложных технологиях изготовления оптического стекла, включая специальные линзы, фильтры и оптические компоненты. Стекло, легированное эрбием, может избирательно поглощать или испускать определённые длины волн, создавая специальные оптические фильтры для фотографии, астрономии и научных приборов.
Эрбий придаёт стеклу и кристаллам красивую розовую окраску, ценимую в декоративных целях и оптических фильтрах. Характерный розовый цвет эрбия возникает в результате определённых электронных переходов, которые также обеспечивают его лазерные и усиливающие свойства.
Уникальные оптические свойства эрбия делают его незаменимым в спектроскопии, исследованиях квантовой оптики и современных фотонных технологиях. Исследователи используют системы на основе эрбия для изучения квантовой механики, разработки новых лазерных технологий и исследования фундаментальных физических явлений.
Спрос на эрбий напрямую связан с глобальным ростом интернета и расширением волоконно-оптических сетей. При удвоении интернет-трафика каждые 2–3 года эрбий стал стратегическим материалом для национальной коммуникационной инфраструктуры.
Объём мирового рынка эрбия превышает $200 миллионов долларов в год; главным образом его рост обеспечивают инвестиции в телекоммуникационную инфраструктуру. Развёртывание сетей 5G создаёт новый спрос на оптические компоненты на основе эрбия.
К перспективным областям применения относятся системы квантовой связи, современные методы медицинской визуализации и вычислительные технологии следующего поколения. Роль эрбия в развитии квантового интернета может сделать его ещё более стратегически важным.
Основное производство эрбиевых волоконных усилителей сосредоточено в Японии, Южной Корее и Китае, поэтому глобальные цепочки поставок зависят от производственных возможностей азиатских стран. Такая концентрация создаёт стратегические уязвимости для мировой коммуникационной инфраструктуры.
Откуда он происходит
3,5 мг/кг земной коры · более распространён, чем 64% элементов
Эрбий содержится в земной коре в количестве примерно 3,5 частей на миллион, поэтому по распространённости он примерно сопоставим с оловом и встречается чаще большинства других тяжёлых редкоземельных элементов. Несмотря на такую относительную распространённость, экономически рентабельные месторождения эрбия остаются географически сосредоточенными, а их переработка требует сложных технологий.
Китай (80% мировой добычи): На руднике Баян-Обо во Внутренней Монголии эрбий получают как побочный продукт добычи железной руды. Ион-адсорбционные глинистые месторождения на юге Китая, в провинциях Цзянси и Гуандун, служат дополнительными источниками тяжёлых редкоземельных элементов с повышенным содержанием эрбия.
Австралия: В месторождении редкоземельных элементов Маунт-Уэлд содержатся значительные запасы эрбия в рудном теле бастнезита. Компания Lynas перерабатывает этот материал для получения смешанных концентратов редкоземельных элементов.
Малайзия: Завод Lynas Advanced Materials Plant перерабатывает австралийскую руду для получения разделённых оксидов редкоземельных элементов, включая высокочистый оксид эрбия для телекоммуникационных применений.
Соединённые Штаты: На руднике Маунтин-Пасс в Калифорнии содержится эрбийсодержащий бастнезит, хотя текущие операции сосредоточены главным образом на добыче лёгких редкоземельных элементов.
Разделение эрбия требует сложных гидрометаллургических процессов из-за химического сходства соседних лантаноидов. Экстракция растворителями с использованием экстрагентов на основе фосфоновых кислот позволяет избирательно отделять эрбий от других тяжёлых редкоземельных элементов. Для полной очистки до чистоты телекоммуникационного класса (99,99%) требуются десятки стадий экстракции.
Морская вода содержит растворённый эрбий в концентрации 0,87 частей на миллиард. Хотя его извлечение сейчас экономически невыгодно, развитие технологий в будущем может сделать морские источники пригодными для получения эрбия.
Вышедшее из эксплуатации волоконно-оптическое оборудование и лазерные системы становятся всё более значимыми источниками эрбия для переработки. Специализированные процессы позволяют извлекать высокочистый эрбий из телекоммуникационного оборудования, однако текущие показатели переработки остаются минимальными из-за сложностей со сбором.
Телекоммуникационные применения требуют сверхчистого эрбия с минимальным содержанием оптических примесей. Загрязнение железом, медью и переходными металлами необходимо снизить до уровня частей на миллион, чтобы предотвратить потери на оптическое поглощение в волоконных усилителях.
Обращение
Эрбий и его соединения представляют минимальный риск токсичности при обычных условиях обращения. Для большинства применений эрбия достаточно стандартных лабораторных процедур безопасности, однако в телекоммуникационных системах особое внимание следует уделять лазерной безопасности.
Лазерная безопасность: Эрбиевые стеклянные и эрбиевые:YAG-лазеры требуют соблюдения протоколов безопасности для лазеров класса 4. Хотя эрбиевые лазеры считаются «безопасными для глаз» по сравнению с лазерами других длин волн, при высокой мощности они всё же могут вызвать термическую травму.
Безопасность при работе с оптическими волокнами: Системы с эрбиевыми волокнами могут передавать значительную оптическую мощность. Никогда не смотрите непосредственно в торцы волокон и не используйте оптические приборы для осмотра активных волокон.
Медицинские эрбиевые лазеры требуют дополнительных мер безопасности, включая контролируемый доступ, предупреждающие знаки и специальную подготовку операторов. Протоколы безопасности пациентов должны учитывать риски как лазерного, так и химического воздействия.
Храните соединения эрбия в плотно закрытых контейнерах в прохладных сухих условиях. Эрбиевые волокна и оптические компоненты необходимо защищать от механических повреждений и загрязнения. Для прецизионных оптических устройств поддерживайте контролируемые температуру и влажность.
Отходы, содержащие эрбий, следует отделять для возможной переработки, особенно если они происходят из дорогостоящего телекоммуникационного оборудования. Оптические волокна и лазерные компоненты могут содержать другие опасные материалы, требующие специальных процедур утилизации.
Рекомендуемый предел воздействия: 5 мг/м³ как средневзвешенная по времени концентрация за 8-часовой рабочий день для соединений эрбия. В производственных помещениях рекомендуется контролировать воздух, особенно во время операций с порошками.
Краткие ответы
Эрбий (символ Er) — элемент 68 в периодической таблице, представитель семейства лантаноид в 6 периоде. Редкоземельный элемент, поддерживающий работу интернета: эрбий усиливает свет внутри оптоволоконного кабеля. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Xe] 4f¹² 6s²; она включает 6 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 30, 8, 2.Эрбий плавится при 1802 K (1528.9 °C) и кипит при 3141 K (2867.9 °C).
Стандартная атомная масса Эрбий составляет 167.259 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Эрбий составляет 9.066 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Эрбий примерно в 9.1× тяжелее.
Электроотрицательность Эрбий по шкале Полинга составляет 1.24. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Эрбий был открыт в 1843 году Carl Gustav Mosander. Назван в честь иттербю, Швеция.
На долю Эрбий приходится около 3.5 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.