Erbium wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) gebildet, der in AGB-Sternen (asymptotische Riesen) mit niedriger bis mittlerer Masse stattfindet, mit einem signifikanten Beitrag des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) bei explosiven Ereignissen wie Supernovae. Nukleosynthesemodelle schätzen, dass etwa 70-80% des solaren Erbiums aus dem s-Prozess und 20-30% aus dem r-Prozess stammen. Als Lanthanid mit einer geraden Protonenzahl (68) ist es häufiger als seine ungeraden Nachbarn (Holmium-67 und Thulium-69) gemäß der Oddo-Harkins-Regel.
Die kosmische Häufigkeit von Erbium beträgt etwa 2,5×10⁻¹² mal die von Wasserstoff in der Anzahl der Atome, was es etwa 5-mal häufiger als Holmium und ähnlich häufig wie Dysprosium macht. Unter den schweren Seltenen Erden ist es relativ häufiger aufgrund seiner geraden Ordnungszahl und der besonderen Stabilität einiger seiner Isotope. Diese relative Häufigkeit hat seine großtechnische Nutzung erleichtert.
Erbium gilt als eines der besten Spurenelemente des s-Prozesses unter den schweren Seltenen Erden aufgrund seiner starken Präferenz für diesen Nukleosyntheseprozess. Das Erbium/Europium-Verhältnis (Er/Eu) ist besonders nützlich, um die Geschichte des Beitrags von AGB-Sternen zur chemischen Anreicherung der Galaxie zu untersuchen. Sterne, die mit s-Prozess-Elementen angereichert sind, zeigen hohe Er/Eu-Verhältnisse, während metallarme Sterne, die vom r-Prozess dominiert werden, niedrigere Verhältnisse aufweisen.
Erbium wurde in vielen Sternen dank seiner relativ zugänglichen Spektrallinien, insbesondere denen des Er-II-Ions, nachgewiesen. Diese Nachweise haben es ermöglicht, die Häufigkeit von Erbium in verschiedenen Sternpopulationen der Milchstraße zu kartieren und wichtige Einschränkungen für Modelle der galaktischen Nukleosynthese zu liefern. Die Untersuchung von Erbium in extrem metallarmen Sternen hilft, die Produktion der ersten schweren Elemente im Universum zu verstehen.
Erbium ist nach dem schwedischen Dorf Ytterby auf der Insel Resarö bei Stockholm benannt, das für seinen Steinbruch bekannt ist, der Minerale mit mehreren Seltenen Erden lieferte. Ytterby gab vier Elementen ihren Namen: Yttrium (Y), Terbium (Tb), Erbium (Er) und Ytterbium (Yb). Der Name "Erbium" wurde in Analogie zu den anderen in den Erzen dieser Lokalität entdeckten Elementen gebildet.
Erbium wurde 1843 vom schwedischen Chemiker Carl Gustaf Mosander (1797-1858) entdeckt, der am Karolinska-Institut in Stockholm arbeitete. Mosander untersuchte ein Yttria-Mineral (Yttriumoxid) aus Ytterby. Nach zahlreichen fraktionierten Kristallisationen gelang es ihm, dieses Oxid in drei verschiedene Verbindungen zu trennen, die er Yttria (weiß), Erbia (rosa) und Terbia (gelb) nannte. Das von ihm isolierte "Erbia" enthielt hauptsächlich Erbiumoxid, obwohl die vollständige Reinigung des Elements mehrere Jahrzehnte dauerte.
Wie bei Terbium herrschte mehrere Jahre lang Verwirrung über die Namen "Erbia" und "Terbia". Einige Chemiker vertauschten die Bezeichnungen und nannten das, was wir heute Terbia nennen, "Erbia" und umgekehrt. Erst Ende des 19. Jahrhunderts wurde die Nomenklatur endgültig nach Mosanders ursprünglicher Entdeckung festgelegt. Die Isolierung von relativ reinem Erbiummetall gelang erstmals 1905 den französischen Chemikern Georges Urbain und Charles James.
Erbium ist in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 3,5 ppm (parts per million) vorhanden, was es häufiger als Holmium, aber seltener als Dysprosium macht. Unter den schweren Seltenen Erden ist es relativ häufig. Die wichtigsten erbiumhaltigen Minerale sind Bastnäsit ((Ce,La,Nd,Er)CO₃F) und Monazit ((Ce,La,Nd,Er,Th)PO₄), in denen es typischerweise 0,1 bis 0,5% des gesamten Gehalts an Seltenen Erden ausmacht, und Xenotim (YPO₄), in dem es stärker konzentriert sein kann (bis zu 4-5%).
Die weltweite Produktion von Erbiumoxid (Er₂O₃) beträgt etwa 50 bis 100 Tonnen pro Jahr, was bedeutend ist, aber im Vergleich zu den leichten Seltenen Erden gering bleibt. Aufgrund seiner kritischen Bedeutung für die Telekommunikation ist Erbium eine strategische Seltene Erde mit typischen Preisen von 300 bis 700 Dollar pro Kilogramm Oxid. China dominiert die Produktion mit mehr als 85% des weltweiten Gesamtvolumens, gefolgt von den USA, Australien und Malaysia.
Erbiummetall wird hauptsächlich durch metallothermische Reduktion von Erbiumfluorid (ErF₃) mit metallischem Calcium in einer inerten Argonatmosphäre hergestellt. Die jährliche Weltproduktion von Erbiummetall beträgt etwa 10 bis 20 Tonnen. Das Recycling von Erbium aus Glasfasern und anderen Elektronikabfällen ist technisch möglich, aber wirtschaftlich schwierig aufgrund der geringen Konzentrationen, obwohl die Forschung auf diesem Gebiet aktiv ist.
Erbium (Symbol Er, Ordnungszahl 68) ist das zwölfte Element der Lanthanidreihe und gehört zu den Seltenen Erden des f-Blocks im Periodensystem. Sein Atom hat 68 Protonen, 98 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{166}\mathrm{Er}\)) und 68 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹² 6s². Diese Konfiguration verleiht Erbium außergewöhnliche optische Eigenschaften.
Erbium ist ein silbernes, duktiles und relativ weiches Metall. Es weist bei Raumtemperatur eine hexagonale, dicht gepackte (hdp) Kristallstruktur auf. Erbium ist bei Raumtemperatur paramagnetisch und wird unter 85 K (-188 °C) antiferromagnetisch, dann zeigt es unter 52 K (-221 °C) eine helikale magnetische Struktur. Bei sehr niedrigen Temperaturen (unter 20 K) wird es ferromagnetisch. Diese komplexen magnetischen Eigenschaften werden in der Festkörperphysik untersucht, sind aber technologisch weniger genutzt als seine optischen Eigenschaften.
Erbium schmilzt bei 1529 °C (1802 K) und siedet bei 2868 °C (3141 K). Wie die meisten Lanthanide hat es hohe Schmelz- und Siedepunkte. Erbium durchläuft bei 1495 °C eine allotrope Umwandlung, bei der seine Kristallstruktur von hexagonal dicht gepackt (hdp) zu kubisch raumzentriert (krz) wechselt. Seine elektrische Leitfähigkeit ist schlecht, etwa 25-mal niedriger als die von Kupfer.
Erbium ist an trockener Luft bei Raumtemperatur relativ stabil, oxidiert aber langsam zu einem rosa Er₂O₃-Oxid. Es oxidiert schneller beim Erhitzen und verbrennt zu Oxid: 4Er + 3O₂ → 2Er₂O₃. Erbium reagiert langsam mit kaltem Wasser und schneller mit heißem Wasser unter Bildung von Erbium(III)-hydroxid Er(OH)₃ und Freisetzung von Wasserstoff. Es löst sich leicht in verdünnten Mineralsäuren. Das Metall muss unter Mineralöl oder in inerter Atmosphäre aufbewahrt werden.
Schmelzpunkt von Erbium: 1802 K (1529 °C).
Siedepunkt von Erbium: 3141 K (2868 °C).
Néel-Temperatur (antiferromagnetischer Übergang): 85 K (-188 °C).
Übergangstemperatur zur helikalen Ordnung: 52 K (-221 °C).
Kristallstruktur bei Raumtemperatur: Hexagonal dicht gepackt (hdp).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Erbium-162 — \(\,^{162}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 94 | 161,928778 u | ≈ 0,14 % | Stabil | Leichtestes stabiles Isotop, in der Natur sehr selten. |
| Erbium-164 — \(\,^{164}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 96 | 163,929200 u | ≈ 1,61 % | Stabil | Stabiles Isotop, in geringer Menge vorhanden. |
| Erbium-166 — \(\,^{166}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 98 | 165,930293 u | ≈ 33,61 % | Stabil | Häufigstes stabiles Isotop in der Natur (etwa ein Drittel des Gesamtgehalts). |
| Erbium-167 — \(\,^{167}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 99 | 166,932048 u | ≈ 22,93 % | Stabil | Wichtiges stabiles Isotop, zweitgrößte Häufigkeit. |
| Erbium-168 — \(\,^{168}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 100 | 167,932370 u | ≈ 26,78 % | Stabil | Wichtiges stabiles Isotop, ähnlich häufig wie Erbium-167. |
| Erbium-170 — \(\,^{170}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 102 | 169,935464 u | ≈ 14,93 % | Stabil | Schwerstes stabiles Isotop, macht etwa 15% der natürlichen Mischung aus. |
Hinweis: :
Elektronenschalen: Wie die Elektronen um den Kern angeordnet sind.
Erbium hat 68 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹² 6s² weist zwölf Elektronen in der 4f-Unterschale auf. Diese Konfiguration kann auch als K(2) L(8) M(18) N(18) O(30) P(2) oder vollständig als 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹² 5s² 5p⁶ 6s² geschrieben werden.
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt auf 2s² 2p⁶. Diese Schale ist vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur Elektronenabschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Diese Schale bildet eine stabile Struktur.
O-Schale (n=5): enthält 30 Elektronen, verteilt auf 5s² 5p⁶ 4f¹² 5d⁰. Die zwölf 4f-Elektronen verleihen Erbium seine außergewöhnlichen optischen Eigenschaften.
P-Schale (n=6): enthält 2 Elektronen in der 6s²-Unterschale. Diese Elektronen sind die äußeren Valenzelektronen von Erbium.
Erbium hat effektiv 14 Valenzelektronen: zwölf 4f¹²-Elektronen und zwei 6s²-Elektronen. Erbium zeigt ausschließlich den +3-Oxidationszustand in seinen stabilen Verbindungen. In diesem Zustand verliert Erbium seine beiden 6s-Elektronen und ein 4f-Elektron, um das Er³⁺-Ion mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹¹ zu bilden. Dieses Ion hat elf Elektronen in der 4f-Unterschale und zeigt elektronische Übergänge, die die Grundlage für seine wichtigsten optischen Anwendungen bilden.
Im Gegensatz zu einigen Lanthaniden wie Europium oder Ytterbium bildet Erbium unter normalen Bedingungen keine stabilen +2- oder +4-Oxidationszustände. Einige Erbium(II)-Verbindungen wurden unter extremen Bedingungen synthetisiert, sind aber sehr instabil. Der +3-Zustand ist daher der einzige chemisch und technologisch bedeutende.
Die Chemie von Erbium wird vom +3-Zustand dominiert. Das Er³⁺-Ion hat einen Ionenradius von 103,0 pm (für die Koordinationszahl 8) und bildet in wässriger Lösung meist blassrosa Komplexe, die charakteristische Farbe der Erbiumsalze. Seine außergewöhnlichen optischen Eigenschaften, insbesondere seine Übergänge im nahen Infrarot, werden in Glasfasern und Lasern genutzt.
Erbiummetall ist an trockener Luft bei Raumtemperatur relativ stabil und bildet eine dünne Schutzschicht aus Er₂O₃-Oxid. Bei hohen Temperaturen (über 200 °C) oxidiert es schnell und verbrennt zu Oxid: 4Er + 3O₂ → 2Er₂O₃. Erbium(III)-oxid ist ein charakteristisch rosa gefärbter Feststoff mit einer kubischen C-Selten-Erd-Struktur (C-Typ-Sesquioxid). In fein pulverisierter Form ist Erbium pyrophor und kann sich an der Luft spontan entzünden.
Erbium reagiert langsam mit kaltem Wasser und schneller mit heißem Wasser unter Bildung von Erbium(III)-hydroxid Er(OH)₃ und Freisetzung von Wasserstoffgas: 2Er + 6H₂O → 2Er(OH)₃ + 3H₂↑. Das Hydroxid fällt als blassrosa, gallertartiger, schwer löslicher Feststoff aus. Wie bei anderen Lanthaniden ist die Reaktion nicht heftig, aber über einen längeren Zeitraum beobachtbar.
Erbium reagiert mit allen Halogenen unter Bildung der entsprechenden Trihalogenide: 2Er + 3F₂ → 2ErF₃ (rosafarbenes Fluorid); 2Er + 3Cl₂ → 2ErCl₃ (violettes Chlorid). Erbium löst sich leicht in verdünnten Mineralsäuren (Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure) unter Wasserstoffentwicklung und Bildung der entsprechenden Er³⁺-Salze: 2Er + 6HCl → 2ErCl₃ + 3H₂↑.
Erbium reagiert mit Wasserstoff bei mäßigen Temperaturen (300-400 °C) unter Bildung von ErH₂, dann ErH₃ bei höheren Temperaturen. Mit Schwefel bildet es Er₂S₃-Sulfid. Es reagiert mit Stickstoff bei hohen Temperaturen (>1000 °C) unter Bildung von ErN-Nitrid und mit Kohlenstoff unter Bildung von ErC₂-Carbid. Erbium bildet auch Koordinationskomplexe mit organischen Liganden, obwohl diese Chemie weniger entwickelt ist als seine optischen Anwendungen.
Die wichtigste Eigenschaft von Erbium ist sein außergewöhnliches optisches Verhalten. Das Er³⁺-Ion besitzt elektronische Übergänge, die es ihm ermöglichen, Licht im nahen Infrarot, insbesondere bei einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometern (1550 nm), zu emittieren. Diese Wellenlänge ist entscheidend, da sie dem minimalen Transmissionsfenster von Siliziumglasfasern entspricht, wo die Dämpfung am geringsten ist (etwa 0,2 dB/km). Dieser glückliche Zufall macht Erbium zum idealen Element für die Verstärkung optischer Signale in globalen Telekommunikationsnetzen.
Die Erfindung der erbiumdotierten Faserverstärker (EDFA) in den 1980er Jahren revolutionierte die globale Kommunikation. Vor den EDFA mussten optische Signale in Fasern alle 50-100 km elektronisch regeneriert werden (Detektion, Umwandlung in ein elektrisches Signal, elektronische Verstärkung, dann Rückumwandlung in ein optisches Signal). EDFA ermöglichen die direkte Verstärkung des optischen Signals ohne elektronische Umwandlung, was die Kosten und Komplexität considerably reduziert und die Netzwerkkapazität erhöht.
In einem EDFA wird eine Siliziumdioxid-Glasfaser mit Er³⁺-Ionen dotiert (typischerweise einige hundert Teile pro Million). Diese Faser wird optisch durch Laserdioden bei 980 nm oder 1480 nm "gepumpt". Die Er³⁺-Ionen absorbieren dieses Pumplicht und werden auf ein höheres Energieniveau angeregt. Wenn Kommunikationssignale bei 1550 nm durch die Faser laufen, stimulieren sie die angeregten Ionen, zusätzliche Photonen bei derselben Wellenlänge zu emittieren, und verstärken so das Signal. Dieser Prozess ist eine stimulierte Emission, das gleiche Prinzip wie in einem Laser.
- Wellenlänge: Optimale Verstärkung bei etwa 1550 nm, entsprechend dem minimalen Transmissionsfenster der Fasern.
- Bandbreite: Etwa 30-40 nm, ermöglicht die gleichzeitige Verstärkung vieler Kanäle (WDM: Wellenlängenmultiplex).
- Verstärkung: Typischerweise 20-30 dB (Verstärkungsfaktor 100 bis 1000).
- Rauschzahl: Gering (4-5 dB), essenziell für Langstreckenübertragungen.
- Ausgangsleistung: Bis zu mehrere Watt für Leistungsverstärker.
- Länge der dotierten Faser: In der Regel 10-30 Meter.
EDFA ermöglichten die Entwicklung transozeanischer Unterseekabelnetze, langstreckiger Landnetze und vervielfachten die Netzwerkkapazität durch Wellenlängenmultiplex (WDM). Ohne Erbium wären globales Hochgeschwindigkeitsinternet, internationale Glasfasertelefonie und viele moderne Cloud-Dienste unmöglich oder extrem teuer. Ein typischer EDFA enthält einige Milligramm bis einige Gramm Erbium.
Der Er:YAG-Laser emittiert bei einer Wellenlänge von 2,94 µm, die von Wasser etwa 10.000-mal stärker absorbiert wird als bei 1,06 µm, der Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers. Diese Eigenschaft macht ihn ideal für medizinische und zahnmedizinische Anwendungen, bei denen eine präzise Ablation von hydratisiertem Gewebe mit minimaler thermischer Schädigung der umliegenden Gewebe erforderlich ist.
Er:Glas-Laser emittieren in der Regel bei etwa 1,54 µm oder 1,55 µm. Sie werden verwendet für:
Diese Laser verwenden eine erbiumdotierte Glasfaser als Verstärkungsmedium. Sie sind kompakt, effizient und erzeugen eine hervorragende Strahlqualität. Anwendungen:
Erbium hat einen moderaten thermischen Neutronenabsorptionsquerschnitt (etwa 166 Barn für das Isotop Er-167, das effektivste). Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz von Erbium in Steuerstäben von Kernreaktoren, obwohl seine Verwendung weniger verbreitet ist als die von anderen Materialien wie Bor, Cadmium oder Gadolinium. Erbium wird manchmal in experimentellen Kernbrennstoffen als abbrennbarer Neutronenabsorber zur Reaktivitätskontrolle verwendet.
Erbiumoxid (Er₂O₃) wird als Schutzbeschichtung für Kernreaktorkomponenten untersucht, aufgrund seiner Stabilität unter Bestrahlung und guten Wärmeleitfähigkeit. Diese Beschichtungen könnten die Sicherheit und Lebensdauer von Kernbrennstoffen verbessern.
Er³⁺-Ionen verleihen Glas und Keramik eine charakteristische rosa Farbe. Diese Eigenschaft wird genutzt für:
Einige erbiumdotierte Materialien (oft in Kombination mit Ytterbium) können zwei niederenergetische Infrarotphotonen in ein höherenergetisches sichtbares Photon umwandeln (Upconversion-Phänomen). Anwendungen:
Forschungen laufen, um Erbium in Solarzellen zu verwenden, um deren Effizienz zu steigern. Die Idee ist, hochenergetische Photonen (UV, Blau) durch einen Quantenschneideprozess in mehrere niederenergetische Photonen (im optimalen Absorptionsbereich von Silizium) umzuwandeln.
Erbium und seine Verbindungen weisen eine geringe chemische Toxizität auf, vergleichbar mit anderen Lanthaniden. Lösliche Salze können Haut-, Augen- und Atemwegsreizungen verursachen. Es wurden keine schweren akuten Toxizitäten oder karzinogenen Effekte nachgewiesen. Die LD50 (letale Dosis 50) von Erbiumsalzen bei Tieren ist ähnlich wie bei anderen Lanthaniden (typischerweise >500 mg/kg). Erbium hat keine bekannte biologische Rolle.
Wie andere Lanthanide reichert sich Erbium bei Exposition bevorzugt in Leber und Knochen an und wird sehr langsam ausgeschieden. Die Exposition der Allgemeinbevölkerung ist extrem gering und hauptsächlich auf Arbeiter in den betreffenden Industrien beschränkt.
Die Umweltauswirkungen sind mit dem Abbau von Seltenen Erden im Allgemeinen verbunden. Die Gewinnung von einem Kilogramm Erbium erfordert die Verarbeitung mehrerer Tonnen Erz und erzeugt erhebliche Abfallmengen und Umweltbelastungen. Die weltweit verwendete Menge an Erbium ist jedoch relativ gering (einige Dutzend Tonnen pro Jahr) im Vergleich zu anderen Metallen.
Das Recycling von Erbium aus gebrauchten Glasfasern ist technisch möglich, aber wirtschaftlich schwierig aufgrund der geringen Erbiumkonzentration in den Fasern (typischerweise einige hundert ppm) und der Schwierigkeit, Erbium von Siliziumdioxid zu trennen. Mit der Zunahme der Mengen an Glasfaserabfällen und Fortschritten in der Recyclingtechnologie könnte dieser Weg in Zukunft jedoch interessanter werden.
Erbium wird von mehreren Ländern und Regionen (USA, Europäische Union) als kritischer Rohstoff eingestuft, aufgrund seiner Bedeutung für kritische Infrastrukturen (Telekommunikation) und der geografischen Konzentration seiner Produktion (China). Es werden Anstrengungen unternommen, die Versorgung zu diversifizieren, die Nutzungseffizienz zu verbessern (Reduzierung der pro EDFA benötigten Erbiummenge) und alternative Technologien zu entwickeln.
Berufliche Exposition tritt in Seltene-Erden-Produktionsanlagen, Glasfaserherstellung, Laser-Kristallproduktion und Telekommunikationseinrichtungen auf. Standardvorkehrungen für Metallstäube gelten. In medizinischen Anwendungen (Laser) gelten Standardvorkehrungen für Laser der Klasse 4.
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