铒

莫桑德尔发现的金属元素

铒

铒（Erbium），一种化学元素，原子序数为68，是稀土元素之一，位于第六周期的IIIB族、镧系，电子排布式为[Xe]4f126s2。[1][0][2]铒为深灰色（暗灰色）[0]金属，有光泽，质软，有延展性，不溶于水，溶于酸。[2]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。[6]铒的化学性质活泼，能在空气中迅速氧化，[6]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。[6][8]铒多用于制备放大器和激光器，如掺饵光纤放大器（Erbium Doped Fiber 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[9][10][11]，后者则在临床治疗中多有运用，如预防继发龋[12]、治疗汗管瘤[13]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。[2][14][15][16][17]

铒（Erbium），一种化学元素，原子序数为68，是稀土元素之一，位于第六周期的IIIB族、镧lán系，电子排布式为[Xe]4f126s2。[2][1][3]铒为深灰色（暗灰色）[1]金属，有光泽，质软，有延展性，不溶于水，溶于酸。[3]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。[7]铒的化学性质活泼，能在空气中迅速氧化，[7]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。[7][9]

铒多用于制备放大器和激光器，如掺饵光纤放大器（Erbium Doped Fiber 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[10][11][12]，后者则在临床治疗中多有运用，如预防继发龋qǔ[13]、治疗汗管瘤[14]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。[3][15][16][17][18]

发现历史

铒，源自瑞典钆gá矿石的发现地——伊特拜（Ytterby）镇。[6][5][19]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（yttria）、氧化铒（erbia）和氧化铽tè（terbia）。[5]但由于性质和名称的相似，氧化铒与氧化铽是混淆的。[3][6][5]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、氧化铥diū和氧化镱。[5]直至二十世纪初，于尔班（Urbain） 和詹姆斯（James）独立分离出了氧化铒（Er2O3）。1934年，克莱姆 （Klemm）和波墨（Bommer） 通过用钾蒸气还原无水氯化物，首次提纯了金属铒。[5]

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），[3][20]存在于黑稀金矿、硅铍钇矿、褐钇铌矿和磷钇yǐ矿中，[3]也存在于核裂变产物中。[7]商业中使用的铒主要来源于磷钇矿和黑稀金矿，[21]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。[22]黑稀金矿则主要在美国、澳大利亚等地区分布。[23][24]

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。[25]

物质结构

铒在室温下是六方密堆积晶体结构，[7]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°。[7][26]铒的基态电子构型为1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f125s25p66s2（[Xe]4f126s2），化合价为＋3。[3][27]

铒晶体结构图像（球棒式）
铒晶体结构图像（球棒式）

物理性质

铒为深灰色（暗灰色）[1]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。[7]铒的相对密度为9.01g/cm3，熔点 1529℃，沸点 2363℃，电阻率 83。[3][7]不溶于水，溶于酸。[3]

化学性质

铒的化学性质活泼，能在空气中迅速氧化，其主要氧化态为Er3+[28]，会因生成一层氧化物薄膜而失去金属光泽。[7]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。[7][9][29]

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。[7]铒的氧化物Er2O3为玫瑰红色，可用来制造陶器的釉彩。[6]Er2O3一般存在于火成岩中，可由电解熔融氯化铒 ErCl3 而制得，[6]可以从空气中吸收水和二氧化碳形成Er(OH)3[29]。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。[30]

铒的卤化物包括氟化铒（ErF3）、氯化铒（ErCl3）、溴化铒（ErBr3）和碘化铒（ErI3）。[3]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、氢氧化物或碳酸盐在水溶液中与氢碘酸反应制得。[3][31]

铒离子还能与许多配体结合从而形成配合物。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。[32]

同位素

自然界中铒有六种稳定同位素[27]，分别为162Er、164Er、166Er、167Er、168Er、170Er[6]，另有种34种放射性同位素（含同分异构态）。[33]如下图所示。

同位素[34]质量数[34]同位素丰度（量分数）[34]
162Er161.928 7870.001 39
164Er163.929 2070.016 01
166Er165.930 2990.335 03
167Er166.932 0540.228 69
168Er167.932 3760.269 78
170Er169.935 470.149 10
同位素[33]半衰期衰变模式
144Er400(#)msβ＋？
145Er900msβ＋＝100；β＋p＝？
148Er4.6sβ＋＝100；β＋p≈0.15
149Er4sβ＋＝100；β＋p＝7.2
149Erm8.9sβ＋＝96.5 7；IT＝3.5 7；…
150Er18.5sβ＋＝100
151Er23.5sβ＋＝100
151Er580msIT＝95.3 3；β＋＝4.7 3
152Er10.3sα＝90 4； β＋＝10.4
153Er37.1sα＝53 3；β＋＝47 3
154Er3.73mβ＋≈100；α＝0.47 13
155Er5.3mβ＋≈100；α＝0.022 7
156Er19.5mβ＋＝100；α＝17e-6 4
157Er18.65mβ＋＝100
157Erm76msIT＝100
158Erm2.29hε＝100
159Er36mβ＋＝100
159Erm337nsIT＝100
159Ern590nsIT＝100
160Er28.58hε＝100
161Er3.21hβ＋＝100
161Erm7.5μsIT＝100
163Er75.0mβ＋＝100
163Erm580nsIT＝100
165Er10.36hε＝100
167Erm2.269sIT＝100
169Er9.4dβ–＝100
171Erm210nsIT＝100
172Er49.3hβ–＝100
173Er1.434mβ–＝100
174Er3.2mβ–＝100
175Er1.2mβ–＝100
176Er20(#)sβ–？
177Er3(#)sβ–？
注：m/n表示异构态，#表示不确定

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。[35][36]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。[1][7]

钙还原氟fú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。[37]反应式如下：

熔融卤化铒电解法具有导电率高，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。[38]反应式如下：[39]

阴极：

阳极：

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。[19]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，可以作为阻氚chuān渗透的材料。[40]

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。[16][18][41]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。[42]

铒还可以在核工业中用作反应堆控制棒的中子吸收层。[43][44]

临床医疗

掺铒石榴石（Er:YAG）激光在皮肤、口腔以及妇科领域的治疗都有应用。[45][17][46][15]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。[47]

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。[17][46]在汗管瘤治疗方面也可使用铒激光。[14]在口腔医学方面，铒激光能预防继发龋[13]，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。[15]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。[45]

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红蛋白和红细胞的含量，铒和β-二酮的配合物可用来防止血凝等。[48]

CHS分类

图示
图意易燃的

H228（97.96%）：易燃固体[8]

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。[49]

参考资料 49

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  2. Erbium - 68Er: the essentials — webelement
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  8. Erbium | Er — PubChem
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  16. 参考 16
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  25. 科学前沿丨消耗过多、全球储量占比下滑，未来中国如何抢占稀土产业科技制高点? — 澎湃新闻
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  40. http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=7109612055
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