铒(Erbium),一种
化学元素,原子序数为68,是
ree之一,位于第六周期的IIIB族、系,电子排布式为[Xe]4f126s2。铒为深灰色(暗灰色)金属,有光泽,质软,有
延展性,不溶于水,溶于酸。铒在低温下是
反铁磁性,在接近
绝对零度时为强铁磁性,并为
超导体。铒的
化学性质活泼,能在空气中迅速氧化,与热水激烈作用并放出
氢气,同时能与许多非金属化合物发生反应。
铒多用于制备
放大器和
激光器,如掺饵
光纤放大器(Erbium Doped
纤维 Amplifier,EDFA)和铒
钇铝石榴石(Er:YAG)激光,前者在光纤通信中应用广泛,后者则在临床治疗中多有运用,如预防继发、治疗
汗管瘤等,除此之外,铒在有色玻璃、陶瓷及
搪瓷制作等方面也有应用。
发现历史
铒,源自
瑞典矿石的发现地——伊特拜(Ytterby)镇。1843年,瑞典科学家莫桑德尔(C.G.Mosander)将硅铍钆矿分离出三种材料,命名
氧化钇(
钇土)、
氧化铒(erbia)和氧化(terbia)。但由于性质和名称的相似,氧化铒与氧化铽是混淆的。1877年,铒的命名得以纠正,这一时期的氧化铒在后来被证明由五种
氧化物组成,现在称为氧化铒、
氧化钪、
氧化钬、氧化和
氧化镱。直至二十世纪初,
于尔班(Urbain) 和
贾科莫(James)独立分离出了氧化铒(Er2O3)。1934年,
克莱姆 (Klemm)和波墨(Bommer) 通过用钾蒸气还原
碘化钠氯化物,首次提纯了金属铒。
分布情况
铒在
地壳中的
丰度为2.5x10-4%,在海洋中的丰度为0.0009ppm(重量),存在于
黑稀金矿、
硅铍钇矿、
褐钇铌矿和磷矿中,也存在于
核裂变产物中。商业中使用的铒主要来源于
磷钇矿和黑稀金矿,磷钇矿的主要产地为
澳大利亚、
马来西亚、
加拿大,中国、澳大利亚、
挪威、巴西等国亦有分布。黑稀金矿则主要在美国、澳大利亚等地区分布。
截至2022年,全球铒远景储量最高的地区为格兰陵的科瓦内湾(Kvanefjeld),含量超过0.04吨,其次为
肯尼亚的米玛希尔(Mrima Hill),含量可达0.02吨。
物质结构
铒在室温下是最密六方结构
晶体结构,属P63/mmc
空间群,其晶胞参数为a=b=355.88 pm,c=558.74 pm;α=β=90.000°,γ=120.000°。铒的
基态电子构型为1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f125s25p66s2([Xe]4f126s2),
化合价为+3。
理化性质
物理性质
铒为深灰色(暗灰色)金属,有光泽,质软,有
延展性,在低温下是
反铁磁性,在接近
绝对零度时为强铁磁性,并为
超导体。铒的相对密度为9.01g/cm3,
熔点 1529℃,
沸点 2363℃,
电阻率 83。不溶于水,溶于酸。
化学性质
铒的化学性质活泼,能在空气中迅速氧化,其主要
氧化数为Er3+,会因生成一层
氧化物薄膜而失去金属光泽。铒与冷水作用较缓慢,但与热水激烈作用并放出
氢气,并能够与许多非金属化合物发生反应,形成氧化物,
氯化物、
硫酸盐、
硝酸盐、
草酸盐等。
化合物
铒的
氧化物和盐类均为粉红色,在紫外和可见光谱区有不连续的
吸收带,可用于光谱
定量分析。铒的氧化物Er2O3为玫瑰红色,可用来制造陶器的釉彩。Er2O3一般存在于岩浆岩中,可由
电解熔融氯化铒 ErCl3 而制得,可以从空气中吸收水和
二氧化碳形成Er(OH)3。除此之外,铒的氧化物或
氢氧化物可以溶于
硫酸中生成
硫酸盐,其硫酸盐又能生成许多硫酸复盐。
铒的
卤化物包括
氟化铒(ErF3)、氯化铒(ErCl3)、
溴化铒(ErBr3)和碘化铒(ErI3)。ErF3为玫瑰红色半透明
晶体,不溶于水和稀酸,其晶体可在氯化铒或
硝酸铒的浓溶液中加入过量的
氢氟酸制得。ErCl3为桃红色晶体,有
潮解性,将
氧化铒或
氢氧化铒溶于
盐酸后经蒸发、结晶可得ErCl3晶体。ErBr3为淡玫瑰红色斜方针状晶体,亦有潮解性,可通过氧化饵制备。ErI3为紫红色六方系晶体,可在空气中长时间加热转化为
氧化物,其晶体可由铒的氧化物、
氢氧化物或
碳酸根在
水溶液中与
碘化氢反应制得。
铒离子还能与许多
配体结合从而形成
配位化合物。如与
冠醚形成稳定的配合物,与氮配位形成
多胺配合物,与含氧、氮的配体形成稳定的配合物,与以硫、磷作为配位
原子的有机配体形成稳定性较差的配位化合物等。
同位素
自然界中铒有六种稳定同位素,分别为162Er、164Er、166Er、167Er、168Er、170Er,另有种34种
放射性同位素(含同分异构态)。如下图所示。
制备方法
含有铒的
矿石可以用
碳酸钠熔融焙烧法、
氯气分解转化法或用
硫酸液或
碱液进行处理制成铒盐,而后进一步提取铒的富集物,最后将其提纯。金属铒可用
钙还原氟化铒或
电解熔融
卤化铒的方法制备,工业上用萃取和
离子交换法分离和提纯铒。
钙还原化铒的反应需在高于铒金属和还原渣
熔点的温度50~100°C下进行,此温度下金属与还原渣保持熔化状态,因密度差而分层,从而实现两者分离。反应式如下:
熔融卤化铒电解法具有
电导率高,浓差
极化小,能以高
电流密度电解等优点,用这种方法可以得到既不被
还原剂污染,也不被所用
耐火材料所污染的金属铒。反应式如下:
应用领域
商业应用
铒可以与钒等金属形成合金,从而提高目标金属的加工性能和延展性能。铒的
氧化物可以加入玻璃、陶瓷中时期呈现粉红色,这种玻璃常用来制作太阳镜和廉价珠宝。经过处理后制备的Er2O3
涂层有较好的耐
电化学腐蚀性、致密性及良好的膜基结合力,可以作为阻渗透的材料。
在光通信方面,Er3+性能较好,已成为
激光测距仪优选发光材料。把适当浓度的Er3+参入合适的基质中,可以制作
掺铒光纤放大器,即放大光信号,提供光增益。Er3+还是一种优良的上转换激活离子,可实现
激光输出的上转换。因此,掺杂Er3+的
光纤放大器和
光纤激光器被广泛研究,目前低损耗掺铒光纤技术已经相当成熟。2022年11月,
德国科学家首次将拥有特殊光学特性的铒原子集成到硅
晶体内用来建立量子网络。
临床医疗
掺铒
石榴石(Er:YAG)激光在皮肤、口腔以及
妇科学领域的治疗都有应用。又分为连续铒激光和脉冲铒激光,连续饵激光的创伤作用较大,故临床上常用脉冲式铒激光。
在医院
皮肤科,采用铒激光对皮肤毛孔粗大的患者进行照射,可以改善皮肤状态以及
痤疮的治疗。在
汗管瘤治疗方面也可使用铒激光。在
口腔医学方面,铒
激光能预防继发龋,由于铒激光属于
硬组织激光,故也能应用于牙齿根尖周病的治疗,可以避免能量过度聚集,从而避免对照射区周围组织产生高温损害。在妇科方面,铒激光可被应用于部分微创手术,如压力性
尿失禁、盆腔器官脱垂和
阴道萎缩等疾病的治疗。
铒还可以被配制为药物以治疗疾病,如铒盐可提高血液中
血色素和红细胞的含量,铒和β-
二酮的
配位化合物可用来防止血凝等。
安全事宜
CHS分类
H228(97.96%):易燃固体
健康危害
铒属有毒物质,其毒性随摄入生物体内的的方式的不同而有所不同。经口摄入时具有低毒性,经腹腔注入具有中等毒性,经静脉注入则具有高毒性。