Erbium

Erbium adalah sebuah unsur kimia dengan lambang Er dan nomor atom 68. Ia merupakan sebuah logam padat berwarna putih keperakan ketika diisolasi secara artifisial. Erbium alami selalu ditemukan dalam kombinasi kimia dengan unsur lain. Ia adalah anggota deret lantanida, sebuah unsur tanah jarang, yang awalnya ditemukan di tambang gadolinit di Ytterby, Swedia, yang merupakan sumber nama unsur ini.

Penggunaan erbium yang utama melibatkan ion Er3+ berwarna merah muda, yang memiliki sifat fluoresen optik yang sangat berguna dalam aplikasi laser tertentu. Kaca atau kristal yang didoping erbium dapat digunakan sebagai media amplifikasi optik, di mana ion Er3+ dipompa secara optik pada panjang gelombang sekitar 980 atau  dan kemudian memancarkan cahaya pada  dalam emisi terstimulasi. Proses ini akan menghasilkan penguat optik laser sederhana yang luar biasa mekanis untuk sinyal yang ditransmisikan oleh serat optik. Panjang gelombang  sangat penting untuk komunikasi optik karena serat optik mode tunggal standar memiliki kerugian minimal pada panjang gelombang khusus ini.

Selain laser penguat serat optik, berbagai macam aplikasi medis (misalnya dermatologi dan kedokteran gigi) bergantung pada emisi ion erbium  (lihat laser Er:YAG) ketika dinyalakan pada panjang gelombang lain, yang sangat terabsorpsi dalam air di dalam jaringan, membuat efeknya sangat dangkal. Deposisi energi laser jaringan yang dangkal seperti itu sangat membantu dalam bedah laser, dan untuk produksi uap yang efisien yang menghasilkan ablasi enamel dengan jenis laser gigi yang umum.

Karakteristik

Sifat fisik

Merupakan sebuah unsur trivalen, logam erbium murni dapat ditempa (atau mudah dibentuk), lunak namun stabil di udara, dan tidak teroksidasi secepat beberapa unsur tanah jarang lainnya. Garamnya berwarna mawar, dan unsur ini memiliki pita spektrum absorpsi tajam yang khas dalam cahaya tampak, ultraungu, dan inframerah dekat. Selain dari itu, ia sangat mirip dengan tanah jarang lainnya. Sesquioksidanya disebut erbia. Sifat-sifat erbium pada tingkat tertentu ditentukan oleh jenis dan jumlah pengotor yang ada. Erbium tidak memainkan peran biologis apa pun yang diketahui, tetapi dianggap dapat merangsang metabolisme.

Erbium bersifat feromagnetik di bawah suhu 19 K, antiferomagnetik di antara suhu 19 dan 80 K, dan paramagnetik di atas suhu 80 K.

Erbium dapat membentuk gugus atom Er3N yang berbentuk baling-baling, dimana jarak antar atom erbium adalah 0,35 nm. Gugus tersebut dapat diisolasi dengan membungkusnya menjadi molekul fulerena, sebagaimana yang dikonfirmasi oleh mikroskop transmisi elektron.

Seperti kebanyakan unsur tanah jarang lainnya, erbium biasanya ditemukan dalam keadaan oksidasi +3. Namun, erbium juga mungkin ditemukan dalam keadaan oksidasi 0, +1 dan +2.

Sifat kimia
Logam erbium dapat mempertahankan kilaunya di udara kering, namun ia akan ternoda perlahan di udara lembap dan mudah terbakar untuk membentuk erbium(III) oksida:
4 Er + 3 O2 → 2 Er2O3

Erbium bersifat cukup elektropositif dan akan bereaksi secara lambat dengan air dingin dan cukup cepat dengan air panas untuk membentuk erbium(III) hidroksida:
2 Er (s) + 6 H2O (l) → 2 Er(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

Logam erbium dapat bereaksi dengan semua halogen:
2 Er (s) + 3 F2 (g) → 2 ErF3 (s) [merah muda]
2 Er (s) + 3 Cl2 (g) → 2 ErCl3 (s) [lembayung]
2 Er (s) + 3 Br2 (g) → 2 ErBr3 (s) [lembayung]
2 Er (s) + 3 I2 (g) → 2 ErI3 (s) [lembayung]

Erbium mudah larut dalam asam sulfat encer untuk membentuk larutan yang mengandung ion Er(III) terhidrasi, yang eksis sebagai kompleks hidrasi [Er(OH2)9]3+ berwarna merah mawar:

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

Isotop

Erbium alami terdiri dari 6 isotop stabil, 162Er, 164Er, 166Er, 167Er, 168Er, dan 170Er, dengan 166Er menjadi yang paling melimpah (33,503% kelimpahan alami). 29 radioisotop telah dikarakterisasi, dengan yang paling stabil adalah 169Er dengan waktu paruh  hari, 172Er dengan waktu paruh  jam, 160Er dengan waktu paruh  jam, 165Er dengan waktu paruh  jam, dan 171Er dengan waktu paruh  jam. Semua isotop radioaktif yang tersisa memiliki waktu paruh kurang dari  jam, dan sebagian besar memiliki waktu paruh kurang dari dari 4 menit. Unsur ini juga memiliki 13 keadaan meta, dengan yang paling stabil adalah 167mEr dengan waktu paruh  detik.

Isotop erbium berkisar dalam berat atom mulai dari  (143Er) hingga  (177Er). Mode peluruhan utama sebelum isotop stabil yang paling melimpah, 166Er, adalah penangkapan elektron, dan mode utama setelahnya adalah peluruhan beta. Produk peluruhan primer sebelum 166Er adalah isotop unsur 67 (holmium), dan produk primer setelahnya adalah isotop unsur 69 (tulium).

Senyawa

Oksida

Erbium(III) oksida (juga dikenal sebagai erbia) adalah satu-satunya oksida erbium yang diketahui, pertama kali diisolasi oleh Carl G. Mosander pada tahun 1843, dan pertama kali diperoleh dalam bentuk murni pada tahun 1905 oleh Georges Urbain dan Charles James. Ia memiliki struktur kubus yang menyerupai motif biksbyit. Pusat Er3+ berbentuk oktahedron. Pembentukan erbium oksida dilakukan dengan membakar logam erbium. Erbium oksida tidak larut dalam air tetapi larut dalam asam mineral.

Halida

Erbium(III) fluorida adalah bubuk berwarna merah muda yang dapat dihasilkan dengan mereaksikan erbium(III) nitrat dan amonium fluorida. Ia dapat digunakan untuk membuat bahan pemancar cahaya inframerah dan bahan luminesen peningkat kualitas. Erbium(III) klorida adalah senyawa berwarna lembayung yang dapat dibentuk dengan terlebih dahulu memanaskan erbium(III) oksida dan amonium klorida untuk menghasilkan garam amonium dari pentakloridanya ([NH4]2ErCl5) kemudian memanaskannya dalam ruang hampa pada suhu 350–400 °C. Ia akan membentuk kristal jenis , dengan kristal monoklinik dan grup titik C2/m. Erbium(III) klorida heksahidrat akan juga membentuk kristal monoklinik dengan grup titik P2/n (P2/c) - C42h. Dalam senyawa ini, erbium akan berkoordinasi dengan 8 ligan untuk membentuk ion  dengan  terisolasi yang melengkapi strukturnya.

Erbium(III) bromida adalah sebuah padatan berwarna lembayung. Ia digunakan, seperti senyawa logam bromida lainnya, dalam pengolahan air, analisis kimia, dan untuk aplikasi pertumbuhan kristal tertentu. Erbium(III) iodida adalah senyawa berwarna agak merah muda yang tidak larut dalam air. Ia dapat dibuat dengan mereaksikan erbium secara langsung dengan iodin.

Senyawa organoerbium

Senyawa organoerbium sangat mirip dengan lantanida lainnya, karena mereka semua memiliki ketidakmampuan untuk menjalani pengikatan balik π. Dengan demikian, mereka sebagian besar terbatas hanya pada sebagian besar siklopentadienida ionik (isostruktural dengan lantanum) serta alkil dan aril sederhana yang berikatan-σ, beberapa di antaranya mungkin polimerik.

Sejarah

Erbium (dari Ytterby, sebuah desa di Swedia) ditemukan oleh Carl Gustaf Mosander pada tahun 1843. Mosander bekerja dengan sampel yang dianggap sebagai oksida logam tunggal itria, yang berasal dari mineral gadolinit. Dia menemukan bahwa sampel tersebut mengandung setidaknya dua oksida logam selain itria murni, yang dia beri nama "erbia" dan "terbia" dari desa Ytterby tempat gadolinit ditemukan. Mosander tidak yakin dengan kemurnian oksida tersebut dan tes selanjutnya mengonfirmasi ketidakpastiannya. "Itria" tidak hanya mengandung itrium, erbium, dan terbium; pada tahun-tahun berikutnya, kimiawan, ahli geologi, dan ahli spektroskopi menemukan lima unsur tambahan: iterbium, skandium, tulium, holmium, dan gadolinium.

Namun, erbia dan terbia dirancukan pada saat itu. Seorang ahli spektroskopi secara keliru mengganti nama kedua unsur tersebut selama spektroskopi. Setelah tahun 1860, terbia berganti nama menjadi erbia, dan setelah tahun 1877 apa yang dikenal sebagai erbia berganti nama menjadi terbia. Er2O3 yang cukup murni diisolasi secara independen pada tahun 1905 oleh Georges Urbain dan Charles James. Logam erbium yang cukup murni baru diproduksi pada tahun 1934 ketika Wilhelm Klemm dan Heinrich Bommer mereduksi klorida anhidrat dengan uap kalium. Baru pada tahun 1990-an harga erbium oksida turunan Tiongkok turun menjadi cukup rendah sehingga erbium dapat dipertimbangkan untuk digunakan sebagai pewarna dalam kaca seni.

Keterjadian

Konsentrasi erbium di kerak Bumi ialah sekitar 2,8 mg/kg dan di air laut ialah 0,9 ng/L. Erbium adalah unsur paling melimpah ke-44 di kerak Bumi, sekitar 3,0–3,8 ppm.

Seperti unsur tanah jarang lainnya, unsur ini tidak pernah ditemukan sebagai unsur bebas di alam tetapi ditemukan terikat dalam bijih pasir monasit. Secara historis, pemisahan unsur tanah jarang yang satu dengan yang lain dari bijih mereka sangatlah sulit dan mahal, tetapi metode kromatografi penukar ion yang dikembangkan pada akhir abad ke-20 telah sangat menurunkan biaya produksi semua unsur tanah jarang dan senyawa kimianya.

Sumber komersial utama erbium berasal dari mineral xenotim dan euksenit, dan yang terbaru, lempung adsorpsi ion di Tiongkok selatan; akibatnya, Tiongkok kini telah menjadi pemasok erbium global yang paling utama. Dalam versi tinggi itrium dari beberapa konsentrat bijih ini, itrium adalah sekitar dua pertiga dari berat total, dan erbia sekitar 4–5%. Ketika konsentrat dilarutkan dalam asam, erbia akan membebaskan ion erbium yang cukup untuk memberikan warna merah muda yang berbeda dan khas pada larutan. Perilaku warna ini mirip dengan apa yang dilihat Mosander dan pekerja awal yang berhubungan dengan lantanida lainnya dalam ekstrak mereka dari mineral gadolinit.

Produksi
Mineral yang dihancurkan akan diserang oleh asam klorida atau sulfat yang mengubah oksida tanah jarang yang tidak larut menjadi klorida atau sulfat yang larut. Filtrat asam sebagian dinetralkan dengan soda kaustik hingga pH 3–4. Torium akan mengendap dari larutan sebagai hidroksida dan kemudian dihilangkan. Setelah itu, larutan diperlakukan dengan amonium oksalat untuk mengubah tanah jarang menjadi oksalat mereka masing-masing yang tidak larut. Oksalat tersebut diubah menjadi oksida melalui penganilan. Oksida tersebut kemudian dilarutkan dalam asam nitrat yang mengecualikan salah satu komponen utama, serium, yang oksidanya tidak larut dalam HNO3. Larutannya kemudian diperlakukan dengan magnesium nitrat untuk menghasilkan campuran garam ganda logam tanah jarang yang mengkristal. Garam itu dipisahkan dengan pertukaran ion. Dalam proses ini, ion tanah jarang diserap ke dalam resin penukar ion yang sesuai melalui pertukaran dengan ion hidrogen, amonium, atau tembaga yang ada dalam resin. Ion tanah jarang kemudian dicuci secara selektif oleh zat pengompleks yang sesuai. Logam erbium diperoleh dari oksida atau garamnya dengan memanaskannya dengan kalsium pada suhu  di bawah atmosfer argon.

Aplikasi

Penggunaan sehari-hari erbium bervariasi. Ia biasanya digunakan sebagai filter fotografi, dan karena ketahanannya, ia berguna sebagai aditif metalurgi.

Laser dan optika
Berbagai macam aplikasi medis (misalnya dermatologi dan kedokteran gigi) memanfaatkan emisi ion erbium  (lihat laser Er:YAG), yang sangat terabsorpsi dalam air (koefisien absorpsinya sekitar ). Deposisi energi laser jaringan yang dangkal seperti itu diperlukan untuk bedah laser, dan produksi uap yang efisien untuk ablasi enamel laser dalam kedokteran gigi.

Serat kaca silika optik yang didoping erbium adalah unsur aktif dalam penguat serat yang didoping erbium (EDFA), yang banyak digunakan dalam komunikasi optik. Serat yang sama dapat digunakan untuk membuat laser serat. Agar dapat bekerja secara efisien, serat yang didoping erbium biasanya dikodoping dengan pengubah/homogenisator kaca, seringkali aluminium atau fosforus. Dopan ini membantu mencegah pengelompokan ion erbium dan dapat mentransfer energi secara lebih efisien antara cahaya eksitasi (juga dikenal sebagai pompa optik) dan sinyal. Kodoping serat optik dengan Er dan Yb digunakan dalam laser serat Er/Yb berdaya tinggi. Erbium juga dapat digunakan dalam penguat pandu gelombang yang didoping erbium.

Aplikasi lainnya
Ketika ditambahkan pada vanadium sebagai paduan, erbium akan menurunkan kekerasan dan meningkatkan kemampuan kerja. Paduan erbium–nikel Er3Ni memiliki kapasitas panas spesifik yang luar biasa tinggi pada suhu helium cair dan digunakan dalam pendingin krio; campuran 65% Er3Co dan 35% Er0,9Yb0,1Ni akan meningkatkan kapasitas panas spesifik lebih banyak lagi.

Erbium oksida memiliki warna merah muda, dan terkadang digunakan sebagai pewarna kaca, zirkonia kubik, dan porselen. Kaca tersebut kemudian sering digunakan dalam kacamata hitam dan perhiasan murah.

Erbium digunakan dalam teknologi nuklir dalam batang kendali penyerap neutron atau sebagai racun yang dapat dibakar dalam desain bahan bakar nuklir. Baru-baru ini, erbium telah digunakan dalam percobaan yang berkaitan dengan fusi kurungan kisi.

Peran biologis dan pencegahan
Erbium tidak memiliki peran biologis, tetapi garam erbium dapat merangsang metabolisme. Manusia rata-rata mengonsumsi 1 miligram erbium per tahun. Konsentrasi erbium tertinggi pada manusia berada di tulang, tetapi ada juga erbium di ginjal dan hati manusia. Erbium sedikit beracun jika tertelan, tetapi senyawa erbium tidak beracun. Erbium metalik dalam bentuk debu menghadirkan bahaya kebakaran dan ledakan.

Referensi

Bacaan lebih lanjut
 Guide to the Elements – Revised Edition, Albert Stwertka (Oxford University Press; 1998), .

Pranala luar

  It's Elemental – Erbium

 
Unsur kimia
Unsur kimia dengan struktur padat heksagon
Material feromagnetik
Lantanida
Reduktor