Кіріспе
Эрбий – химиялық элемент, символы Er, атомдық нөмірі 68. Жасанды түрде бөліп алынғанда күміс түсті, ақ металл болып табылады. Табиғатта эрбий басқа элементтермен химиялық қосылыстарда ғана кездеседі. Ол лантаноид, сирек кездесетін элемент, алғаш рет Швецияның Йтерби қаласындағы гадолинит кенінен табылды, содан элементтің аты осы қаланың атымен байланысты. Эрбийдің негізгі қолданылуы – оның қызғылт түсті Er3+ иондары, олар белгілі бір лазерлік қолданыстарда өте пайдалы оптикалық флуоресценттік қасиеттерге ие. Эрбий қосылған шынылар немесе кристалдар оптикалық күшейткіш ретінде қолданылуы мүмкін, онда Er3+ иондары 980 немесе 1480 нұсқасында оптикалық түрде қоздырылып, содан кейін 1530 нұсқасында мәжбүрлі сәулелену арқылы жарық шығарады. Бұл процестің нәтижесінде талшықты оптика арқылы берілетін сигналдар үшін ерекше механикалық тұрғыдан қарапайым лазерлік оптикалық күшейткіш пайда болады. 1550 нұсқасы оптикалық байланыс үшін өте маңызды, себебі стандартты бір режимді оптикалық талшықтар осы нұсқада ең аз шығынды көрсетеді. Оптикалық талшықты күшейткіш лазерлерден басқа, көптеген медициналық қолданыстар (мысалы, дерматология, стоматология) эрбий ионының 2940 нұсқасымен (Er:YAG лазерін қараңыз) басқа нұсқада қоздырылғанда қолданылады, ол тіндердегі суға күшті сіңіріліп, оның әсерін өте үстірт етеді. Лазерлік энергияның мұндай терең емес тіндерге енуі лазерлік хирургияда және әдеттегі стоматологиялық лазерлермен эмальды абляциялауды тиімді жүзеге асыру үшін пайдалы.
Физикалық қасиеттері
Үш валентті элемент, таза эрбий металлы соғылуға жарамды (немесе оңай пішінделеді), жұмсақ, бірақ ауада тұрақты және кейбір басқа сирек жер металдары сияқты жылдам тотықпайды. Оның тұздары қызғылт түсті, ал элементтің көрінетін жарық, ультракөк сәуле және инфрақызылға жақын спектрде ерекше сіңіру жолақтары бар. Әйтпесе, ол басқа сирек жер элементтерінен көп ерекшеленбейді. Оның сесквиоксиді – ербия деп аталады. Эрбийдің қасиеттері белгілі бір дәрежеде қоспалардың түрі мен мөлшерімен анықталады. Эрбийдің белгілі биологиялық қызметі жоқ, бірақ ол метаболизмді ынталандыруға қабілетті деп саналады. Эрбий 19 К төмен температурада ферромагниттік, 19 мен 80 К аралығында антиферромагниттік, ал 80 К жоғары температурада парамагниттік қасиет көрсетеді. Эрбий Er3N пропеллер тәрізді атомдық кластерлерді құрауы мүмкін, онда эрбий атомдары арасындағы қашықтық 0,35 нм құрайды. Бұл кластерлерді, беріліс электронды микроскопиясымен расталғандай, фуллерен молекулаларына қаптап оқшаулауға болады. Басқа көптеген сирек жер элементтері сияқты, эрбий көбінесе +3 тотығу күйінде кездеседі. Дегенмен, эрбий 0, +1 және +2 тотығу күйінде де болуы мүмкін.
Erbium can form propeller shaped atomic clusters Er3N, where the distance between the erbium atoms is 0.35 nm. Those clusters can be isolated by encapsulating them into fullerene molecules, as confirmed by transmission electron microscopy. Like most rare earth elements, erbium is usually found in the +3 oxidation state. However, it is possible for erbium to also be found in the 0, +1 and +2 oxidation states.
Изотоптар
Табиғи түрде кездесетін эрбий 6 тұрақты изотоптан тұрады: Er 162, Er 164, Er 166, Er 167, Er 168 және Er 170, олардың ішінде Er 166 ең көп таралған (33,503% табиғи молық). 29 радиоизотоп сипатталған, ең тұрақтылары: Er 169 – 9,4 жартылай ыдырау периодымен, Er 172 – 49,3 жартылай ыдырау периодымен, Er 160 – 28,58 жартылай ыдырау периодымен, Er 165 – 10,36 жартылай ыдырау периодымен және Er 171 – 7,516 жартылай ыдырау периодымен. Қалған радиоактивті изотоптардың жартылай ыдырау периоды 3,5-тен кем, ал көпшілігі 4 минуттан да аз. Бұл элементтің 13 мета-күйі бар, ең тұрақтысы Er 167, оның жартылай ыдырау периоды 2,269. Эрбий изотоптарының атомдық салмағы 142,9663 (Er 143) -тен 176,9541 (Er 177) аралығында өзгереді. Er 166-дан бұрынғы негізгі ыдырау түрі – электронды ұстау, ал одан кейінгі негізгі түрі – бета ыдырау. Er 166-дан бұрынғы негізгі ыдырау өнімдері – 67-элементтің (хольмий) изотоптары, ал одан кейінгі негізгі өнімдер – 69-элементтің (тулий) изотоптары. Оның биксбиит мотивіне ұқсас кубикалық құрылымы бар. Er3+ орталықтары октаэдрлі. Эрбий оксидінің түзілуі эрбий металлын жағу арқылы жүзеге асырылады. Эрбий оксиді суда ерімейді, бірақ минералды қышқылдарда ериді.
Галоидтар
Ербий(III) фториді – ербий(III) нитраты мен аммоний фторидін реакцияға келтіру арқылы алынатын қызғылт түсті ұнтақ. Оны инфрақызыл сәулені өткізетін материалдар мен люминесцентті материалдарды түрлендіру үшін пайдалануға болады. Ербий(III) хлориді – ербий(III) оксиді мен аммоний хлоридін қыздыру арқылы түзілетін күлгін түсті қосылыс. Ол AlCl3 типті кристаллдар түзеді, моноклиндық кристаллдар және C2/m нүктелік тобына ие. Ербий(III) хлориді гексагидраты да P2/n (P2/c) нүктелік тобымен моноклиндық кристаллдар түзеді. Бұл қосылыста эрбий окта-координатталған [Er(H2O)6Cl2]+ иондарын құрайды, ал оқшауланған Cl− иондары құрылымын толықтырады. Ербий(III) бромиді – күлгін түсті қатты зат. Ол, басқа металл бромидтері сияқты, суды тазартуда, химиялық талдауда және кейбір кристалл өсіру салаларында қолданылады. Ербий(III) йодиді – суда ерімейтін, ақшыл қызғылт түсті қосылыс. Оны эрбийді йодпен тікелей реакцияға келтіру арқылы алуға болады.
Органоербий қосылыстары
Органоэрбий қосылыстары басқа лантаноидтарға өте ұқсас, себебі олардың бәрі π кері байланысуға қабілетсіз. Сондықтан олар көбінесе иондық циклопентадиенидтермен (лантанмен изоструктуралық) және σ-байланысты қарапайым алкилдермен және арилдермен шектеледі, олардың кейбіреулері полимерлі болуы мүмкін.
Тарих
Ербий (швед ауылы Иттербидің атымен) 1843 жылы Карл Густав Мосандер ашқан. Мосандер гадолинит минералынан алынған, итрия деп саналған бір металл оксидінің үлгісімен жұмыс істеді. Ол үлгіде таза итриядан басқа кем дегенде екі металл оксиді бар екенін анықтады, оларды гадолинит табылған Иттерби ауылының атымен «ербия» және «тербия» деп атады. Мосандер оксидтердің тазалығына көз жеткізбеді, ал кейінгі сынақтар оның күмәнін растады. «Итрия» итрий, эрбий және тербий ғана емес, сондай-ақ келесі жылдары химиктер, геологтар және спектроскопистер бес қосымша элементті: иттербий, скандий, тулий, гольмий және гадолинийді тапты. Дегенмен, сол кезде ербия мен тербия шатастырылды. Спектроскопист зерттеу кезінде екі элементтің атауларын қате ауыстырды. 1860 жылдан кейін тербия ербия деп, ал 1877 жылдан кейін ербия тербия деп аталды. Жорж Урбен мен Чарльз Джеймс 1905 жылы Er2O3-ты тәуелсіз түрде оқшаулады. 1934 жылы Вильгельм Клемм мен Генрих Боммер сусыз хлоридті калий буымен тотықтырғанда ғана эрбий металлының жақсы тазартылған түрі алынды. Тек 1990 жылдары қытайлық эрбий оксидінің бағасы төмендеп, эрбийді көркем шыныда бояу ретінде қолдану мүмкін болды.
Пайда болуы
Ербийдің Жер қыртысындағы концентрациясы шамамен 2,8 мг/кг, ал теңіз суында 0,9 нг/л құрайды. (Сирек кездесетін элементтердің концентрациясы орналасуына қарай бірнеше есе өзгеруі мүмкін, бұл олардың салыстырмалы мөлшерін анықтауды қиындатады). Басқа сирек жер элементтері сияқты, бұл элемент табиғатта таза күйде кездеспейді, бірақ моназит құмдарындағы рудаларында байланысқан күйде табылады. Тарихи тұрғыдан, сирек жер элементтерін рудаларынан бөліп алу өте қиын және қымбат болды, бірақ 20-шы ғасырдың соңында жасалған ион алмасу хроматографиясы әдістері барлық сирек жер металдарын және олардың химиялық қосылыстарын өндірудің құнын айтарлықтай төмендетті. Эрбийдің негізгі коммерциялық көздері – ксенотим және эвксенит минералдары, соңғы кезде Оңтүстік Қытайдың иондық сіңіруші саздарынан да алынуда. Осының нәтижесінде Қытай қазіргі таңда осы элементтің басты әлемдік жеткізушісіне айналды. Бұл кен концентраттарының жоғары иттрийлі түрлерінде иттрий жалпы салмақтың шамамен екі үшін бір бөлігін, ал ербия шамамен 4–5% құрайды. Концентрат қышқылда еріген кезде, ербия жеткілікті мөлшерде эрбий ионын бөліп шығарады, бұл ерітіндіге ерекше және айқын қызғылт түс береді. Бұл түс сипаттамасы Мосандер және лантаноидтардағы алғашқы зерттеушілердің Иттербидің гадолинит минералдарынан алған сығындыларында байқаған нәрсеге ұқсас.
Өндіріс
Қырылған минералдарға тұз қышқылы немесе күкірт қышқылы әсер етеді, ол ерімейтін сирек жер элементтерінің оксидтерін ерігіш хлоридтерге немесе сульфаттарға айналдырады. Қышқыл сүзгілер 3–4 pH деңгейіне дейін каустикалық содамен (натрий гидроксиді) ішінара бейтараптандырылады. Торий ерітіндіден гидроксид түрінде тұнбаланып, алынады. Содан кейін ерітінді аммоний оксалатымен өңделеді, осылайша сирек жер элементтері ерімейтін оксалаттарына айналады. Оксалаттар қыздыру арқылы оксидтерге айналады. Оксидтер азот қышқылында ерітіледі, HNO3-те ерімейтін негізгі компоненттерінің бірі – церийді қоспағанда. Ерітінді магний нитратымен өңделіп, сирек жер металдарының қос тұздарының кристалдық қоспасы алынады. Тұздар ион алмасу арқылы бөлінеді. Бұл процесте сирек жер элементтерінің иондары ион алмастырғыш смолаға сіңіріледі, смоладағы сутек, аммоний немесе мыс иондарымен алмасады. Содан кейін сирек жер элементтерінің иондары тиісті комплекстеуші заттармен таңдап жуылады. Эрбиймен қоспаланған оптикалық кремний шыны талшықтары оптикалық байланыста кеңінен қолданылатын эрбиймен қоспаланған талшықты күшейткіштердің (EDFA) белсенді элементі болып табылады. Осы талшықтар талшықты лазерлерді жасауға да қолданылуы мүмкін. Тиімді жұмыс істеу үшін эрбиймен қоспаланған талшық әдетте шыны модификаторларымен/гомогендеушілермен, көбінесе алюминиймен немесе фосформен қоса қоспаланады. Бұл қоспалар эрбий иондарының жиналуын болдырмауға және энергияны қоздыру жарығы (оптикалық сорғы деп те аталады) мен сигнал арасында тиімдірек беруге көмектеседі. Оптикалық талшықты Er және Yb-мен қоса қоспалау жоғары қуатты Er/Yb талшықты лазерлерде қолданылады. Эрбийді эрбиймен қоспаланған толқын жетекші күшейткіштерде де қолдануға болады. Эрбий-никель қорытпасы Er3Ni сұйық гелий температурасында ерекше жоғары жылу сыйымдылығына ие және криоқылдытқыштарда қолданылады; көлем бойынша 65% Er3Co және 35% Er0.9Yb0.1Ni қоспасы нақты жылу сыйымдылығын одан да жақсартады. Эрбий оксиді қызғылт түсті болады және кейде шыны, кубикалық циркония және фарфорға бояғыш ретінде қолданылады. Осылай шыны жиі күн көзілдіріктер мен арзан әшекейлер жасауға қолданылады. Эрбий ядролық технологияда нейтрондарды сіңіретін басқару таяқшаларында немесе ядролық отын жобалауда жануға жарамды уыс ретінде қолданылады.
Биологиялық рөлі және сақтық шаралары
Ербийдің биологиялық қатысы жоқ, бірақ ербий тұздары метаболизмді күшейте алады. Адамдар жылына шамамен 1 миллиграмм ербийді пайдаланады. Адам организміндегі ербийдің ең көп мөлшері сүйектерде кездеседі, сонымен қатар бүйректерде және бауырда да бар.