68, Erbium (Er)

Grube Ytterby (Schweden)

Das Element Erbium:

         
   
  Ho Er Tm  
  Es Fm Md  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Erbium (Nukleosynthese): Erbium hat 6 Isotope, die betazerfallsstabil sind. Davon können zwei (Er-162, Er-164) nur durch γ-Prozess gebildet werden. Die übrigen Isotope können sowohl durch s-, als auch durch r-Prozesse entstehen. Das häufigste Nuklid im natürlichen Isotopengemisch des Erbiums ist jenes mit der Massenzahl 166 (33,5%), gefolgt von Er-168 (27,0%), Er-167 (22,9%), Er-170 (14,9%), Er-164 (1,6%) und Er-162 (0,14%). Für Er-162 und Er-164 wird angenommen, dass sie unter extrem langen Halbwertszeiten unter doppeltem K-Einfang oder doppeltem Betaplus-Emission zu entsprechenden Dysprosium-Isotopen zerfallen können. Deren Halbwertszeiten lägen laut atomphysikalischer Berechnungen oberhalb von 1027 Jahren, was faktische Stabilität bedeutet (entspräche etwa 1 Zerfall pro Jahr und pro Mol). Für Er-170 konntebisher kein Doppelter Betaminus-Zerfall nachgewiesen werden.

Die Erbium-Synthese:
162Er-Synthese:
(nur γ-Prozess)

162Dy + 1,85 MeV → 162Er

164Er-Synthese:
(nur γ-Prozess)

164Dy + 23,7 keV → 164Er

166Er-Synthese:
(s, r-Prozess)

165Ho + n → 166Er + β- + 8,10 MeV

56Fe + 110n → 166Er + 42β- + 892 MeV

167Er-Synthese:
(s, r-Prozess)

166Er + n → 167Er + 6,44 MeV

56Fe + 111n → 167Er + 42β- + 899 MeV

168Er-Synthese:
(s, r-Prozess)

167Er + n → 168Er + 7,77 MeV

56Fe + 112n → 168Er + 42β- + 906 MeV

170Er-Synthese:
(s, r-Prozess)

168Er + 2n → 170Er + 13,26 MeV

56Fe + 114n → 170Er + 42β- + 920 MeV



Natürlich zusammengesetztes Erbium zeigt in reinstem Zustand keine messbare Radioaktivität.
Vorkommen von Erbium: Im Universum hat Erbium durchschnittlich mit rund 2 μg/kg Anteil am Aufbau (Rang 54). Am Aufbau der Erde ist es mit durchschnittlich 231 μg/kg beteiligt (Rang 53), in der Erdkruste findet es sich mit durchschnittlich 3,5 mg/kg (Rang 44). Damit ist es das achtseltenste (achthäufigste) Lanthanoid.

Mineralische Vorkommen: Wie alle schweren Lanthanoide kommt auch das Erbium bevorzugt in Yttrium-Mineralien vor, da es in seinem Ionenradius diesem ähnlicher ist, als dem Lanthan. So sind Xenotim, Yttrium-Gadolinit, Monazitsand und Yttrium-Bastnäsit die wichtigsten Quellen zur Anreicherung und Reingewinnung des Elements. Es kommt auch in den Ceriterden vor, allerdings mit weit geringerer Konzentration.

Erbiumhaltige Mineralien.

Gadolinit (Y), (Y|Ln)2Fe(SiO5)2[1]

Xenotim, (Y|Yb)PO4[1]

Monazitsand, (Y|Ln)PO4,[2]

Bastnäsit(Y), (Y|Ln)(CO3)F[3]


Erbium-Gewinnung:
Gleich den anderen schweren Lanthanoiden (Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Thulium, Ytterbium, Lutetium) wird Erbium aus Yttrium-Mineralien (Xenotim, Y-Bastnäsit, Y-Gadolinit) gewonnen. Hierzu werden diese Erze zerkleinert, durch Flotation angereichert und in Schwefelsäure gelöst. Die filtrierte und eisgekühlte Lösung wird anschließend mit Oxalsäure versetzt, wodurch alle Lanthanoide als Ln(III)oxalate ausfallen. Durch Komplexieren (z.B. mit Citronensäure oder anderen organischen Säuren bei definierten Bedingungen) und separates Absorbieren an Ionentauscher mit anschließender Rücklösung unter spezifischen Parametern können die einzelnen Lanthanoide dann fraktioniert werden. Die auf diese Weise erhältlichen organischen Lanthanoid-Salze können durch Glühen in die Oxide überführt werden. Diese wiederum werden mit Flusssäure oder Salzsäure umgesetzt, so dass entsprechend Fluoride bzw. Chloride erhalten werden.

Das so erhaltene Erbium(III)fluorid bzw. -chlorid unterzieht man dann nach Zusatz von Kaliumchlorid einer Schmelzelektrolyse. Von dem sich ebenfalls abscheidenen Kalium kann das Erbium dann mittels Vakuum-Destillation gereinigt werden.

Schema: Darstellung der Lanthanoide[4]
Chemie von Erbium: Erbium hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 4f12. Daher strebt das Element die Oxidationsstufe +3 an. Verbindungen mit Er(II) sind nur vereinzelt bekannt, jedoch ohne praktische Bedeutung. Er(IV)-Verbindungen dagegen sind gänzlich unbekannt.

Reaktionen an der Luft: Bei Raumtemperatur ist Erbium an der Luft beständig. Es überzieht sich mit einer Schicht aus grauem Erbiumoxidhydroxid, welche das darunterliegende Metall recht effektiv vor Weiteroxidation schützt. Es kann daher ohne weitere Schutzmaßnahmen (Inertgas, Petroleum) an der Luft aufbewahrt werden. Beim Erhitzen verbrennt es in stark exothermer Reaktion zu Erbiumoxid.

4Er + 3O2 → 2Er2O3 + 3795,8 kJ


Reaktionen mit Wasser und Säuren: Von Feuchtigkeit und Wasser wird das Metall schnell angegriffen, es reagiert unter Wasserstoffentwicklung zu Erbiumhydroxid. Dieses ist zwar stark basisch, jedoch nur sehr schlecht in Wasser löslich - die Basizität ähnelt der von Aluminiumhydroxid. Aufgrund der Löslichkeit von etwa 170 μg/L hat die gesättigte Hydroxidlösung einen pH-Wert von etwa 7,8. Gleich den anderen Lanthanoid(III)-Ionen hydrolysiert auch das Hexaaquo-Erbium-Ion unter Bildung von Hydronium-Ionen und Hydroxo-Erbium-Ionen, weswegen Erbium-Salze, sofern das Anion nicht basisch reagiert, deutlich saure Reaktionen zeigen.

Hydrolyse von Erbiumhydroxid und Erbium-Ionen:

a) Alkalische Reaktion von Erbiumhydroxid:
{Er(OH)3} [Er(OH)2]+ + OH-; pKb = 5,60

b) Saure Reaktion von Erbium-Ionen:
[Er(H2O)9]3+ + H2O [Er(H2O)8(OH)]2+ + [H3O]+; pKs = 7,87



Reaktionen mit Nichtmetallen: Mit Fluor und Chlor reagiert das Element bereits bei Raumtemperatur mit Feuererscheinung unter Bildung entsprechender Salze, mit Brom, Iod und Schwefel erst beim Erhitzen - ebenfalls unter stark exothermer Reaktion.

Erbium-Verbindungen

Erbiumoxid[4]
Er2O3

Fotomontage: Erbiumsulfat-8hydrat[5]
Er2(SO4)3•8H2O

Erbiumchlorid[6]
ErCl3•6H2O

Erbiumsulfat-Lösung[4]
UV-Licht (li), Tageslicht (re)


Physikalische Besonderheiten von Erbium bzw. von seinen Verbindungen: Ferromagnetismus. Unterhalb von -255°C wird Erbium ferromagnetisch, und hat dabei ein magnetisches Moment von 7,0 μB. Das ist mehr als der dreifache Wert des Eisens.

Flammenfärbung: Erbiumsalze zeigen bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen) eine Flammenfärbung. Dabei ist die Flamme im heißeren Temperaturbereich grün bis blaustichig, im kälteren gelblich-orange gefärbt. Dies kommt dadurch zustande, dass der Teil der angeregten Elektronen, der in der heißen Zone auf das Grundniveau zurückfällt, höhere Energien (und damit kleinere Wellenlängen, Blau-Anteile) hat, als der Anteil, welcher erst weiter oben in der kälteren Zone emittiert (größere Wellenlängen, Rot-Anteile).

Sind die Salze durch größere Mengen an leichteren Lanthanoiden verunreinigt, so kann die Flamme einen rosa-violetten Farbton annehmen. Dieses Bild wurde mit einer Salz-Probe der Reinheit 99,99 % gemacht: Die Salzlösung wurde per Zerstäubung in eine Luft-Acetylen-Flamme eingebracht und dann fotografiert (AAS).


Flammenfärbung eines[4]
Erbium-Salzes

Verwendung von Erbium und seinen Verbindungen :
  • Industrielle Schutzbrillen werden aus Erbiumoxid-Glas gefertigt. Diese zeigen hohe Absorptionsraten im infraroten Wellenlä:ngenbereich des EM-Spektrums (Wärmestrahlung), weswegen sie in der Glas- und Stahlindustrie, bzw. überall dort Verwendung finden, wo Arbeiten mit hohen Temperaturen stattfindet.
Verwendung von Erbium

Erbiumoxid-Glas[7]

IR-Schutzbrille[8]


Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Kouame. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[4] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[5] Quelle des Originalbildes: Wikimedia Commons. Urheber: Bahmtec. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[6] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Walkerma. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[7] Bildquelle: Hi-Res Images of Elements. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben. Bei Verwendung bitte einen Link auf die Webseite http://images-of-elements.com/erbium.php setzen.

[8] Bildquelle: http://anibeads.com/shop/product_info.php?products_id=127. Verwendung unter den Bedingungen der GNU-Lizenz gestattet (Creative Commons Lizenz)