What is 铒?
铒 (symbol Er) is element 68 on the periodic table, a 镧系元素 in period 6. The rare earth that keeps the internet running: erbium amplifies light inside fibre-optic cable. At room temperature it is a solid.
结构
这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。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
每个条形图都显示铒在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 175 pm — that is 0.175 nm, so about 2857 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
铒 is liquid over a 1339 K window, from 1802 K to 3141 K.
故事
The rare earth that keeps the internet running: erbium amplifies light inside fibre-optic cable.
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对稀土元素分离所采用的精湛系统方法。在斯德哥尔摩的Karolinska Institute工作期间,Mosander已经发现了镧和Didymium。1843年,他将注意力转向来自Ytterby采石场的硅铍钇矿。
Mosander怀疑硅铍钇矿中的“钇土”部分含有多种未知元素。他运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——每个结晶周期都要持续数周,而要实现有意义的分离则需要数百个周期。
通过对钇化合物进行系统的分步结晶,Mosander识别出三种不同的成分:钇土(白色)、铒土(玫瑰色)和铽土(黄色)。他最初对铒土和铽土的颜色归属后来被其他化学家颠倒,但他的基础分离工作仍然是正确的。
Mosander将他的玫瑰色部分命名为“铒土”,名称取自Ytterby,以延续纪念这一非凡瑞典地点的传统;此前钇就是以此地命名的。他没有想到,这一矿床最终会产生四种不同的元素名称。
Mosander对铒的发现遭到了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,以至于许多科学家都质疑它是否具有元素属性。
铒的元素本质最终在19世纪60年代通过光谱分析得到证实,当时具有特征性的吸收线为这种独特元素提供了明确证据。
瑞典Ytterby的小型采石场具有独特地位,它为四种元素提供了名称: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”曾被认为只是化学上的奇闻,如今却支撑着价值数万亿美元的全球电信基础设施。这个由Mosander逐粒分离出的元素,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的发现已经将近一个世纪,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。
应用
铒已悄然成为全球电信领域默默无闻的英雄,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,是现代数字文明真正不可或缺的元素。
掺铒光纤放大器(EDFA)是实现长距离光纤通信的技术奇迹。当受到泵浦激光器激发时,铒离子会在关键的1.55微米波长处放大光信号,此处光纤的信号损耗极低。没有铒放大器,Netflix视频流、视频通话和互联网浏览都不可能跨越超过40千米的距离实现。
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,使数据能够以光速跨越洲际传输。
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在不会损害人类视力的波长下工作,非常适合既要求精准又重视安全的战场应用。先进的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程序,尤其是在皮肤科和牙科领域。这些激光器在2.94微米波长下工作,能够被人体组织中的水完美吸收,从而实现极其精准的消融,同时将热损伤降至最低。铒激光器可以以前所未有的控制精度逐层去除皱纹、疤痕和受损皮肤。
铒化合物可用于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青睐。铒特有的粉红色源于特定的电子跃迁,而这些跃迁也赋予了它激光和放大性能。
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具有不可替代的价值。研究人员使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 million,主要由电信基础设施投资推动。5G网络部署正在为基于铒的光学元件创造新的需求。
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有更高的战略重要性。
主要的掺铒光纤放大器制造集中在日本、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
3.5 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 64% of elements
铒在地壳中的含量约为3.5ppm,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,具有经济开发价值的铒矿床仍在地理上高度集中,且加工技术难度较大。
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其他重稀土来源,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,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,不过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0.87ppb。虽然目前提取铒并不经济,但技术进步最终可能使海洋来源成为可行的铒回收来源。
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。
电信应用需要光学杂质极少的超高纯度铒。铁、铜和过渡金属污染必须降低到ppm水平,以防止光纤放大器中的光吸收损耗。
处理
在正常操作条件下,铒及其化合物的毒性风险极低。对于大多数铒的应用,标准实验室安全程序已足够,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激光器需要遵守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较高的光功率。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,包括受控进入、警示标志和操作人员的专门培训。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。
含铒废物应分类收集,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危险材料,需要采用专门的废弃处理程序。
建议暴露限值:铒化合物按8小时加权平均值计为5mg/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。
快速回答
铒 (symbol Er) is element 68 on the periodic table, a 镧系元素 in period 6. The rare earth that keeps the internet running: erbium amplifies light inside fibre-optic cable. At room temperature it is a solid.
[Xe] 4f¹² 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 30, 8, 2 electrons respectively.铒 melts at 1802 K (1528.9 °C) and boils at 3141 K (2867.9 °C).
The standard atomic weight of 铒 is 167.259 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
铒 has a density of 9.066 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 铒 is about 9.1× heavier.
铒 has a Pauling electronegativity of 1.24. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
铒 was discovered in 1843 by Carl Gustav Mosander. It is named after ytterby, Sweden.
铒 makes up about 3.5 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.