Erbij

Erbij () jest hemijski element koji spada u grupu lantanoida. Označava se simbolom Er i ima atomski broj 68. To je srebrenasto-bijeli, čvrsti metal, koji je vještački izoliran, a prirodni erbij može se naći samo u hemijskim spojevima. Kao takav, spada u rijetke zemne elemente povezane s drugim rijetkim elementima u mineralu gadolinitu iz švedskog sela Ytterbyja. Uz njega, još tri hemijska elementa nazvana su po tom mjestu.

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 otprilike 980 nm ili 1480 nm te emitiraju svjetlost na 1530 nm u stimuliranoj emisiji. 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 toj određenoj talasnoj dužini. Uz lasere 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 vrlo dobro apsorbira u vodi sadržanoj u tkivima, što tom laseru daje vrlo površne efekte. Takvo plitko djelovanje laserske energije na tkivo vrlo je korisno u laserskoj hirurgiji.

 Historija 
Erbij je otkrio Carl Gustaf Mosander 1843. Izdvojio je itriju iz minerala gadolinita u tri frakcije, koje je nazvao itrija, erbija i terbija. Novi element nazvao je po selu Ytterbyju, gdje su bile velike koncentracije itrije i erbije. Erbija i terbija često su se zabunom pogrešno identificirale između sebe. Nakon 1860. terbija je preimenovana u erbiju, a nakon 1877. ono što je ranije bilo poznato kao erbija dobilo je ime terbija. Prilično čisti Er2O3 nezavisno jedan od drugog izolirali su Georges Urbain i Charles James 1905. Dosta čišći metal nije proizveden sve do 1934, kada su Klemm i Bommer reducirali anhidrirani hlorid parama kalija. Tek u 1990-ima cijena erbij-oksida kineske proizvodnje opala je u dovoljnoj mjeri da se erbij počne razmatrati kao boja za umjetničko staklo.

 Osobine 
Fizičke
mini|250px|lijevo|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 u izvjesnom stepenu određene su vrstom i količinom nečistoća. Nije poznato da ima neku biološku ulogu, ali se smatra da u određenoj mjeri stimulira metabolizam. Na temperaturi ispod 19 K ispoljava feromagnetske osobine, na temperaturama između 19 i 80 K je antiferomagnetičan, dok je iznad 80 K paramagnetičan.

Može formirati atomski skup Er3N u obliku propelera, gdje je udaljenost između atoma erbija 0,35 nm. Takvi skupovi mogu se izolirati tako što se okruže molekulom fulerena, što je i potvrđeno posmatranjima elektronskim transmisijskim mikroskopom.

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

 Izotopi 
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.

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).

 Rasprostranjenost 
Koncentracija erbija u Zemljinoj kori se procjenjuje na oko 2,8 mg/kg, a u morskoj vodi na oko 0,9 ng/l. 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 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:
 monacit (Ce,La,Th,Nd,Y,Pr,Er)PO4 i
 bastanezit (Ce,La,Nd,Y,Pr,Er)CO3F

 Dobijanje 
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. Metalni erbij se dobija iz svojih oksida ili soli zagrijavanjem sa kalcijem na temperaturu od 1450 °C u atmosferi argona.

 Upotreba 
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.
 Kada se doda vanadiju kao legura, erbij snižava tvrdoću legure i poboljšava njenu obradivost.
 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.
Optička silikatno-staklena vlakna se dopiraju erbijem te se koriste kao aktivni element u vlaknastim pojačalima (EDFA) u optičkim komunikacijama. 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.
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
 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 
Erbij nema poznatu biološku ulogu, međutim smatra se da soli erbija mogu stimulirati metabolizam. Prosječna osoba konzumira oko 1 mg erbija godišnje. Najveća koncentracija erbija u ljudskom organizmu je u kostima, a dokazano je njegovo prisustvo i u bubrezima i jetri.
Erbij se smatra neznatno otrovan, ako se proguta, međutim spojevi erbija nisu otrovni. Metalni erbij u obliku praha predstavlja opasnost od požara i eksplozije.

 Reference 


Kategorija:Hemijski elementi
Kategorija:Lantanoidi
Kategorija:Feromagnetni materijali
Kategorija:Reducensi