اربیوم

اربیوم (Erbium) از عنصرهای شیمیایی جدول تناوبی در دسته لانتانیدها است. نشانه کوتاه آن Er و عدد اتمی آن ۶۸ است. اربیم خالص، فلز جامد نقره‌ای است. اربیم طبیعی همواره در ترکیب با سایر عناصر مشاهده می‌شود. این عنصر، جزء عنصرهای خاکی کمیاب است که برای اولین بار همراه با چند عنصر دیگر در کانی گادولینیت در منطقه ایتربی سوئد، یافت شده‌است.

اربیم، ₆₈Er

اربیم
تلفظ	‎/ˈɜːrbiəm/‎ ​(UR-bee-əm)
ظاهر	سفید نقره‌ای
جرم اتمی استاندارد (Ar، استاندارد)	۱۶۷٫۲۵۹(۳)[1]
اربیم در جدول تناوبی
- ↑ Er ↓ Fm هولمیم ← اربیم → تولیم
عدد اتمی (Z)	68
گروه	گروه n/a
دوره	دوره ۶
بلوک	بلوک-f
دسته	Lanthanide
آرایش الکترونی	[Xe] 4f^12 6s^2
لایه الکترونی	۲, ۸, ۱۸, ۳۰, ۸, ۲
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STP	جامد
نقطه ذوب	۱۸۰۲ K ​(۱۵۲۹ °C, ​۲۷۸۴ °F)
نقطه جوش	۳۱۴۱ K ​(۲۸۶۸ °C, ​۵۱۹۴ °F)
چگالی (near r.t.)	۹٫۰۶۶ g/cm^3
در حالت مایع (at m.p.)	۸٫۸۶ g/cm^3
حرارت همجوشی	۱۹٫۹۰ kJ/mol
آنتالپی تبخیر	۲۸۰ kJ/mol
ظرفیت حرارتی مولی	۲۸٫۱۲ J/(mol·K)
فشار بخار فشار (Pa) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱ K ۱۰ K ۱۰۰ K در دمای (K) ۱۵۰۴ ۱۶۶۳ (۱۸۸۵) (۲۱۶۳) (۲۵۵۲) (۳۱۳۲)
ویژگی‌های اتمی
عدد اکسایش	0,[2] +1, +2, +3 (a basic اکسید)
الکترونگاتیوی	مقیاس پائولینگ: ۱٫۲۴
انرژی یونش	1st: ۵۸۹٫۳ kJ/mol 2nd: ۱۱۵۰ kJ/mol 3rd: ۲۱۹۴ kJ/mol
شعاع اتمی	empirical: ۱۷۶ pm
شعاع کووالانسی	pm ۱۸۹±۶
Color lines in a spectral range خط طیف نوری اربیم
دیگر ویژگی ها
ساختار بلوری	​شش‌وجهی پرونده:شش‌وجهی
سرعت صوت thin rod	۲۸۳۰ m/s (at 20 °C)
انبساط حرارتی	(در دمای اتاق) ۱۲٫۲ µm/(m·K)
رسانندگی گرمایی	۱۴٫۵ W/(m·K)
رسانش الکتریکی	(در دمای اتاق) ۰٫۸۶۰ µ Ω·m
رسانش مغناطیسی	پارامغناطیس در ۳۰۰ کلوین
مدول یانگ	۶۹٫۹ GPa
مدول برشی	۲۸٫۳ GPa
مدول حجمی	۴۴٫۴ GPa
نسبت پواسون	۰٫۲۳۷
سختی ویکرز	۵۸۹ MPa
سختی برینل	۸۱۴ MPa
شماره ثبت سی‌ای‌اس	7440-52-0
ایزوتوپ‌های اربیم
ایزوتوپ فراوانی نیمه‌عمر (t۱/۲) حالت فروپاشی محصول ^۱۶۰Er مصنوعی ۲۸٫۵۸ ساعت ε ۰٫۳۳۰ ^۱۶۰Ho ^۱۶۲Er ۰٫۱۳۹٪ ^۱۶۲Er ایزوتوپ پایدار است که ۹۴ نوترون دارد ^۱۶۴Er ۱٫۶۰۱٪ ^۱۶۴Er ایزوتوپ پایدار است که ۹۶ نوترون دارد ^۱۶۵Er مصنوعی ۱۰٫۳۶ ساعت ε ۰٫۳۷۶ ^۱۶۵Ho ^۱۶۶Er ۳۳٫۵۰۳٪ ^۱۶۶Er ایزوتوپ پایدار است که ۹۸ نوترون دارد ^۱۶۷Er ۲۲٫۸۶۹٪ ^۱۶۷Er ایزوتوپ پایدار است که ۹۹ نوترون دارد ^۱۶۸Er ۲۶٫۹۷۸٪ ^۱۶۸Er ایزوتوپ پایدار است که ۱۰۰ نوترون دارد ^۱۶۹Er مصنوعی ۹٫۴ روز β^− ۰٫۳۵۱ ^۱۶۹Tm ^۱۷۰Er ۱۴٫۹۱۰٪ ^۱۷۰Er ایزوتوپ پایدار است که ۱۰۲ نوترون دارد ^۱۷۱Er مصنوعی ۷٫۵۱۶ ساعت β^− ۱٫۴۹۰ ^۱۷۱Tm ^۱۷۲Er مصنوعی ۴۹٫۳ ساعت β^− ۰٫۸۹۱ ^۱۷۲Tm

یون اربیم به دلیل داشتن ویژگی‌های فلورسنت در برخی کاربردهای لیزری به کار می‌رود. شیشه‌ها یا بلورهای اربیم‌دار را می‌توان در تقویت‌کننده‌های نوری به کار برد. یون اربیم، نوری با طول موج ۱۵۳۰ نانومتر تابش می‌کند. طول موج ۱۵۵۰ نانومتر در مخابرات نوری اهمیت خاصی دارد. زیرا در این طول موج، کمترین افت در فیبرهای نوری استاندارد یک‌حالته ایجاد می‌شود.

تاریخچه

اربیم در ۱۸۴۱ توسط کارل موساندر کشف شد.[3] موساندر ایتریا را از کانی گادولینیت جدا و به سه بخش تقسیم نمود که نام این بخش‌ها را اربیا، تربیا و ایتریا نهاد. او عنصر جدید را از روی نام روستای ایتربی که کانی از آنجا گرفته شده‌بود، نام‌گذاری کرد. البته موساندر و سایر شیمی‌دانان تا مدت زیادی نتوانستند اربیم خالص را به دست آورند. در ۱۹۳۴، کلم و بومر با کاهش کلرید اربیم بدون آب با بخار پتاسیم، موفق به تولید اربیم خالص شدند.[4]

ویژگی‌ها

اربیم کلرید در نور خورشید، فلورسنت بنفش را منتشر می‌کند

ویژگی‌های فیزیکی

اربیم، عنصری سه ظرفیتی است. شکل خالص آن، فلزی نرم و در عین حال، در مجاورت هوا پایدار است و برخلاف بعضی عناصر خاکی کمیاب دیگر، به سرعت اکسید نمی‌شود. نمک‌های اربیم به رنگ صورتی هستند و خطوط طیف جذبی آن در محدوده نور مرئی، فرابنفش و نزدیک فروسرخ قرار دارند. اربیم هیچ نقش زیست‌شناختی شناخته شده‌ای ندارد، ولی ممکن است بر سوخت و ساز بدن تأثیر بگذارد.[5]

اربیم در دمای پایین‌تر از ۱۹ کلوین فرومغناطیس، بین ۱۹ و ۸۰ کلوین پادفرومغناطیس و در دمای بالاتر از ۸۰ کلوین پارامغناطیس است.[6]

ویژگی‌های شیمیایی

اربیم در مجاورت هوا به آهستگی کدر می‌شود و به اربیم اکسید تبدیل می‌شود:

4 Er + 3 O₂ → 2 Er₂O₃

هم‌چنین با آب سرد به آهستگی و با آب گرم به سرعت واکنش می‌دهد و اربیم هیدروکسید، ساخته می‌شود:

2 Er (s) + 6 H₂O (l) → 2 Er(OH)₃ (aq) + 3 H₂ (g)

اربیم فلزی می‌تواند با همه هالوژن‌ها واکنش انجام دهد که فلوئورید آن، صورتی‌رنگ و ترکیب آن با سایر هالوژن‌ها بنفش است:[7]

2 Er (s) + 3 M₂ (g) → 2 ErM₃ (s)

M می‌تواند کلر، برم یا ید باشد.

ایزوتوپ‌ها

اربیم طبیعی، شش ایزوتوپ پایدار دارد که اربیم-۱۶۶، فراوان‌ترین ایزوتوپ آن (با فراوانی نسبی ۳۳٫۵٪) است. تاکنون ۲۹ ایزوتوپ پرتوزای آن شناخته شده‌اند که پایدارترین آنها، اربیم-۱۶۹ با نیم‌عمر ۹٫۴ روز و اربیم-۱۷۲ با نیم‌عمر ۴۹٫۳ ساعت می‌باشند. عدد جرمی ایزوتوپ‌های اربیم در بازه ۱۴۳ و ۱۷۷ است. فراوان‌ترین شکل واپاشی در ایزوتوپ‌های سبک‌تر از اربیم-۱۶۶، جذب الکترون و در ایزوتوپ‌های سنگین‌تر، واپاشی بتا است. بنا بر این، محصول واپاشی در ایزوتوپ‌های سبک‌تر، هولمیم (با عدد اتمی ۶۷) و در ایزوتوپ‌های سنگین‌تر، تولیم (با عدد اتمی ۶۹) است.[8]

فراوانی

ماسه مونازیت

غلظت اربیم در پوسته زمین حدود ۲٫۸ میلی‌گرم بر کیلوگرم و در آب دریا ۰٫۹ نانوگرم بر لیتر است.[9] به این ترتیب، اربیم در جایگاه حدود ۴۵ از نظر فراوانی در پوسته زمین قرار دارد. اربیم به صورت طبیعی یافت نمی‌شود، ولی همراه با سایر عنصرهای خاکی کمیاب در ماسه مونازیت وجود دارد. تا مدت‌ها استخراج اربیم و جداسازی آن از سایر عناصر خاکی کمیاب، به سادگی امکان‌پذیر نبود؛ ولی پس از توسعه روش‌های فراوری تبادل یونی در اواخر سده بیستم میلادی، هزینه استخراج و تهیه همه عناصر خاکی کمیاب و ترکیب‌های شیمیایی آن‌ها بسیار کاهش یافته‌است.[10]

اقتصادی‌ترین منبع‌های اربیم، کانی‌های گزنوتیم و اگزنیت (عمدتاً در نروژ) و رس‌های جاذب یون در جنوب چین هستند. در حال حاضر، چین عمده‌ترین تولیدکننده اربیم است. در کانی‌هایی که غلظت ایتریم زیاد است، حدود ۴–۵٪ اربیا وجود دارد. پس از حل شدن در اسید، یون‌های اربیم به حد کافی موجود هستند که رنگ صورتی به محلول دهند.

تولید

کانی استخراج شده با هیدروکلریک اسید یا سولفوریک اسید واکنش داده می‌شود تا اکسید نامحلول آن به کلرید یا سولفات محلول تبدیل شود. سپس خاصیت اسیدی با سدیم هیدروکسید تا حدودی کاهش می‌یابد. به این ترتیب، توریم به صورت هیدروکسید از محلول خارج می‌شود. پس از افزوده شدن آمونیوم اگزالات به محلول، عناصر خاکی کمیاب به اگزالات نامحلول تبدیل می‌شوند. اگزالات‌ها با بازپخت، به اکسید تبدیل می‌شوند. اکسیدها در نیتریک اسید حل می‌شوند و سریم که یکی از اجزای عمده است، به دلیل نامحلول بودن اکسید آن در نیتریک اسید، جدا می‌شود. محلول با منیزیم نیترات ترکیب می‌شود تا نمک مضاعف عناصر خاکی کمیاب ایجاد شود. سپس نمک‌ها با تبادل یونی از هم جدا می‌شوند. در نهایت، فلز اربیم از گرما دادن اکسید یا نمک آن با کلسیم در دمای ۱۴۵۰ درجه سلسیوس در مجاورت آرگون (گاز خنثی) تهیه می‌شود.[9]

کاربرد

• در فناوری هسته‌ای در میله‌های کنترل جذب نوترون به کار می‌رود.[11]
• کاهش سختی و افزایش کارپذیری وانادیم هنگامی که با آن آلیاژ تشکیل دهد.[12]
• اربیم اکسید که صورتی‌رنگ است، گاهی برای رنگ‌دهی به شیشه یا چینی به کار برده می‌شود. این شیشه‌ها معمولاً در ساخت عینک و جواهرات ارزان مورد استفاده قرار می‌گیرند.[12]
• نوعی فیبر نوری محتوی اربیم در تقویت‌کننده‌های نوری اربیم‌دار به صورت فراوان در مخابرات نوری به کار می‌رود.[13]
• نوعی از آلیاژ اربیم-نیکل (Er₃Ni) به‌طور غیرمعمولی در دمای محدوده هلیم مایع، دارای ظرفیت گرمایی ویژه بالایی است و در نوعی سردکننده به کار می‌رود.[14]

منابع

1. Meija, J.; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". شیمی محض و کاربردی(نشریه). 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
2. Yttrium and all lanthanides except Ce, Pm, Eu, Tm, Yb have been observed in the oxidation state 0 in bis(1,3,5-tri-t-butylbenzene) complexes, see Cloke, F. Geoffrey N. (1993). "Zero Oxidation State Compounds of Scandium, Yttrium, and the Lanthanides". Chem. Soc. Rev. 22: 17–24. doi:10.1039/CS9932200017.
3. Mosander C.G. (اکتبر ۱۸۴۳). «On the new metals, Lanthanium and Didymium, which are associated with Cerium; and on Erbium and Terbium, new metals associated with Yttria». Philosophical Magazine Series 3. ۲۳ (۱۵۲): ۲۴۱–۲۵۴. doi:10.1080/14786444308644728.
4. Ihde Aaron J. (۱۹۸۴). The development of modern chemistry (ویراست [Facsim٫ ed٫]٫). New York: Dover Publ. شابک ۰-۴۸۶-۶۴۲۳۵-۶.
5. Emsley، John (۲۰۰۳). واحدهای سازنده طبیعت: راهنمای کامل عناصر (ویراست چاپ مجدد با اصلاحات٫). Oxford: Oxford University Press. شابک ۰-۱۹-۸۵۰۳۴۰-۷.
6. Jackson, M. (۲۰۰۰). «مغناطیس خاکی کمیاب» (PDF). The IRM quarterly. ۱۰ (۳): ۱.
7. «واکنش‌های شیمیایی اربیم». Webelements.
8. Georges, Audi; Bersillon, O. ; Blachot, J. ; Wapstra, A.H. (دسامبر ۲۰۰۳). «The Nubase evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A. ۷۲۹ (۱): ۳–۱۲۸. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
9. Patnaik Pradyot (۲۰۰۳). Handbook of inorganic chemicals. New York, NY [u.a.]: McGraw-Hill. شابک ۰-۰۷-۰۴۹۴۳۹-۸.
10. نخستین مقاله در مورد کاربرد کروماتوگرافی تبادل یونی در جداسازی عناصر خاکی کمیاب: Spedding، F.H.؛ Powell، J.E. (۱۹۵۴). «A practical separation of yttrium group rare earths from gadolinite by ion-exchange». Chemical Engineering Progress. ۵۰: ۷–۱۵.
11. Theodore A. Parish, Vyacheslav V. Khromov (۱۹۹۹). Safety issues associated with plutonium involvement in the nuclear fuel cycle : [proceedings of the NATO advanced research workshop on safety issues associated with plutonium involvement in the nuclear fuel cycle, Moscow, Russia, 2-6 September 1997]. Dordrecht: Kluwer academic publ. in cooperation with NATO Scientific affairs division. شابک ۹۷۸-۰-۷۹۲۳-۵۵۹۳-۹.
12. editor-in-chief, David R. Lide (۲۰۰۰). CRC handbook of chemistry and physics, 2000-2001: a ready-reference book of chemical and physical data (ویراست ۸۱st ed٫). Boca Raton, Fla.: CRC Press. شابک ۰-۸۴۹۳-۰۴۸۱-۴.
13. P.C. Becker, N.A. Olsson, J.R. Simpson (۱۹۹۹). Erbium-doped fiber amplifiers fundamentals and technology (ویراست [Online-Ausg٫]). San Diego: Academic Press. شابک ۹۷۸-۰-۱۲-۰۸۴۵۹۰-۳.
14. Ackermann Rober A. (۱۹۹۷). Cryogenic regenerative heat exchangers. New York, NY [u.a.]: Plenum Press. شابک ۹۷۸-۰-۳۰۶-۴۵۴۴۹-۳.

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ اربیوم موجود است.