铒是什么?
铒(符号Er)是元素周期表中的第68号元素,属于6周期的镧系元素。 让互联网持续运行的稀土元素:铒能放大光纤电缆中的光。 在室温下为固态。
结构
这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图显示铒在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
半径175 pm——即0.175 nm,因此大约2.86百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
铒在1339 K的范围内呈液态,温度从1802 K到3141 K。
背后的故事
让互联网持续运行的稀土元素:铒能放大光纤电缆中的光。
发现者:Carl Gustaf Mosander,瑞典斯德哥尔摩(1843年)
命名来源:瑞典的Ytterby——这座著名采石场为四种元素提供了名称
铒的发现体现了Carl Gustaf Mosander在分离稀土元素方面精湛而系统的方法。Mosander在斯德哥尔摩的Karolinska Institute工作,已经发现了镧和双元素,1843年,他将注意力转向来自Ytterby采石场的钆石矿。
Mosander怀疑钆石矿中的“钇土”组分含有多种未知元素。他使用改进的分步结晶技术,开始了艰苦的混合氧化物分离过程。这项工作需要非凡的耐心——每次结晶循环都需要数周才能完成,而要实现有意义的分离则需要数百个循环。
通过对钇化合物进行系统的分步结晶,Mosander识别出三种不同的组分:钇土(白色)、铒土(玫瑰色)和铽土(黄色)。他最初将颜色归属于铒土和铽土的判断后来被其他化学家颠倒,但他的基本分离工作仍然有效。
Mosander以Ytterby为名,将他的玫瑰色组分命名为“铒土”,延续了纪念这一非凡瑞典地点的传统,因为钇正是从那里发现的。他没有想到,同一矿床最终会产生四种不同元素的名称。
Mosander发现铒后,曾受到同时代化学家的强烈质疑,他们怀疑如此细微的化学差异是否真的代表不同的元素。铒的化学性质与其他稀土元素极为相似,许多科学家因此质疑它是否属于独立元素。
铒作为元素的性质最终在19世纪60年代通过光谱分析得到确证,当时具有特征性的吸收线明确证明了这种独特元素的存在。
瑞典的Ytterby小型采石场拥有一项独特荣誉:为四种元素提供了名称,分别是钇、镱、铽和铒。地球上没有其他地点贡献过更多元素名称,因此Ytterby成为全世界化学爱好者的朝圣之地。
Mosander在19世纪进行的细致分离工作为理解镧系元素化学奠定了基础。他的“铒土”曾被认为只是一种化学珍奇,如今却支撑着价值数万亿美元的全球电信基础设施。Mosander通过逐粒分离而得到的元素,如今正以光速承载着全世界的互联网流量。
直到1934年,人们才分离出纯金属铒,这距离Mosander的发现已经近一个世纪,显示出他仅凭19世纪分析技术所克服的技术挑战极其艰巨。
用途
铒已悄然成为全球电信领域的无名英雄,使互联网能够以我们如今所依赖的速度和容量运行。这种非凡的稀土元素为承载几乎所有国际数据的光纤网络提供动力,对现代数字文明而言确实不可或缺。
掺铒光纤放大器(EDFA)是实现长距离光纤通信的技术奇迹。在泵浦激光器激发下,铒离子会在关键的1.55微米波长处放大光信号,而光纤在该波长处的信号损耗最小。没有铒放大器,你的Netflix视频流、视频通话和互联网浏览都不可能跨越超过40千米的距离。
每一条跨洋互联网电缆、每一次长途电话,以及几乎所有高速互联网流量,都会经过掺铒放大器。这些设备能够将光信号放大1000倍甚至更多,同时保持完美的信号质量,使数据得以按照光速跨越大陆传输。
铒:玻璃激光器在军事测距和目标指示系统中发挥着关键作用。这些对眼睛安全的激光器工作在不会损伤人类视力的波长范围内,非常适合同时高度重视精度和安全性的战场应用。先进军事系统使用铒激光器进行导弹制导、地形测绘和隐蔽通信。
铒:YAG激光器彻底改变了美容和医疗操作,尤其是在皮肤科和牙科领域。这些激光器工作在2.94微米处,能被人体组织中的水完美吸收,从而实现极其精确的消融,并将热损伤降至最低。铒激光器可以以前所未有的控制力逐层去除皱纹、疤痕和受损皮肤。
铒化合物支持复杂的光学玻璃应用,包括专用镜片、滤光片和光学元件。掺铒玻璃能够选择性地吸收或发射特定波长,从而为摄影、天文学和科学仪器制造定制光学滤光片。
铒能使玻璃和晶体呈现美丽的粉红色,因而受到装饰应用和光学滤光片领域的重视。铒特有的粉红色源于特定的电子跃迁,这些跃迁也使其具备激光和放大性能。
铒独特的光学性质使其在光谱学、量子光学研究和先进光子学应用中极具价值。研究人员利用基于铒的系统研究量子力学、开发新的激光技术,并探索基础物理现象。
铒的需求与全球互联网增长和光纤网络扩张直接相关。随着互联网流量每2-3年翻一番,铒已成为国家通信基础设施的战略材料。
全球铒市场年价值超过$200百万美元,主要由电信基础设施投资推动。5G网络部署正在创造对基于铒的光学元件的新需求。
新兴应用包括量子通信系统、先进医学成像和下一代计算技术。铒在量子互联网发展中的作用可能使其具备更高的战略重要性。
掺铒光纤放大器的主要制造活动发生在日本、韩国和中国,使全球供应链依赖亚洲的生产能力。这种集中为全球通信基础设施带来了战略脆弱性。
来源
地壳中含量为3.5 mg/kg · 比64%的元素更丰富
铒在地壳中的含量约为3.5百万分之一,其丰度大致与锡相当,并且比大多数其他重稀土元素更常见。尽管相对丰度较高,具有经济开采价值的铒矿床仍集中在少数地区,且加工技术要求较高。
中国(全球产量的80%):内蒙古的白云鄂博矿从铁矿开采副产品中生产铒。中国南方江西和广东省的离子吸附型黏土矿床还提供了额外的重稀土来源,其中铒含量更高。
澳大利亚:Mount Weld稀土矿床的氟碳铈矿矿体中含有大量铒储量。Lynas Corporation加工这种矿石以生产混合稀土精矿。
马来西亚:Lynas Advanced Materials Plant加工澳大利亚矿石,生产分离稀土氧化物,包括用于电信应用的高纯度氧化铒。
美国:加利福尼亚州的Mountain Pass矿含有含铒氟碳铈矿,但目前的运营主要集中于轻稀土生产。
由于相邻镧系元素的化学性质相似,铒的分离需要复杂的湿法冶金工艺。使用膦酸萃取剂进行溶剂萃取,可以将铒与其他重稀土元素选择性分离。要达到电信级纯度(99.99%)的完全提纯,需要数十个萃取阶段。
海水中溶解的铒浓度为0.87十亿分之一。虽然目前提取铒尚不具备经济性,但技术进步最终可能使海洋来源的铒回收变得可行。
报废光纤设备和激光系统正成为日益增长的可回收铒来源。专门的加工工艺可以从电信设备中回收高纯度铒,但由于收集困难,目前的回收率仍然很低。
电信应用要求超高纯度的铒,并且光学杂质必须极少。铁、铜和过渡金属污染必须降低到百万分之一水平,以防止光纤放大器中的光吸收损耗。
处理
在正常处理条件下,铒及其化合物的毒性风险很低。大多数铒应用遵循标准实验室安全规程即可,但电信系统中的激光安全需要特别注意。
激光安全:铒:玻璃激光器和铒:YAG激光器需要遵循4类激光安全规程。与其他波长相比,铒激光器虽然属于“对眼睛安全”的激光器,但在高功率水平下仍可能造成热损伤。
光纤安全:掺铒光纤系统可能携带很高的光功率。切勿直视光纤端面,也不要使用光学仪器检查工作中的光纤。
医用级铒激光器需要额外的安全措施,包括限制进入、设置警示标志以及对操作人员进行专门培训。患者安全规程必须同时应对激光和化学品暴露风险。
将铒化合物储存在密封良好的容器中,并置于阴凉、干燥的环境。掺铒光纤和光学元件需要防止机械损伤和污染。精密光学设备应保持受控的温度和湿度。
含铒废物应分开收集,以便进行潜在回收,尤其是来自高价值电信设备的废物。光纤和激光元件可能含有其他有害材料,需要采用专门的处置程序。
建议暴露限值:铒化合物按8小时加权平均计算为5 mg/m³。建议在制造环境中进行空气监测,尤其是在处理粉末的操作期间。
快速解答
铒(符号Er)是元素周期表中的第68号元素,属于6周期的镧系元素。 让互联网持续运行的稀土元素:铒能放大光纤电缆中的光。 在室温下为固态。
[Xe] 4f¹² 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 30, 8, 2。铒在1802 K(1528.9 °C)熔化,在3141 K(2867.9 °C)沸腾。
铒的标准原子量为167.259 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。
铒的密度为9.066 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此铒块约重9.1倍。
铒的鲍林电负性为1.24。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。
铒由Carl Gustav Mosander于1843年发现。 它以ytterby,瑞典命名。
铒约占地壳的3.5 mg/kg——不常见,但并不稀有。