Иттербий — химический элемент ; он имеет символ Yb и атомный номер 70. Это металл, четырнадцатый и предпоследний элемент в ряду лантаноидов , что является основой относительной стабильности его степени окисления +2 . Как и у других лантаноидов, его наиболее распространенная степень окисления — +3, как и у его оксида , галогенидов и других соединений. В водном растворе , как и соединения других поздних лантаноидов, растворимые соединения иттербия образуют комплексы с девятью молекулами воды. Из-за его закрытой электронной конфигурации его плотность, температура плавления и температура кипения намного ниже, чем у большинства других лантаноидов.
В 1878 году швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк выделил из редкоземельного элемента «эрбий» (еще один независимый компонент), который он назвал « иттербием », в честь Иттербю , деревни в Швеции, недалеко от которой он нашел новый компонент эрбий . Он подозревал, что иттербий является соединением нового элемента, который он назвал «иттербием». (Всего четыре элемента были названы в честь деревни, остальные — иттрий , тербий и эрбий .) В 1907 году новая земля «лютеция» была отделена от иттербия, из которого Жорж Урбен , Карл Ауэр фон Вельсбах и Шарль Джеймс извлекли элемент «лютеций» (теперь лютеций ) . После некоторого обсуждения название Мариньяка «иттербий» было сохранено. Относительно чистый образец металла был получен лишь в 1953 году. В настоящее время иттербий в основном используется в качестве легирующей примеси нержавеющей стали или активных лазерных сред , реже — в качестве источника гамма-излучения .
Природный иттербий представляет собой смесь семи стабильных изотопов, которые в общей сложности присутствуют в концентрациях 0,3 частей на миллион . Этот элемент добывают в Китае, США, Бразилии и Индии в виде минералов монацита , эвксенита и ксенотима . Концентрация иттербия низкая, поскольку он встречается только среди многих других редкоземельных элементов ; кроме того, он является одним из наименее распространенных. После извлечения и подготовки иттербий несколько опасен как раздражитель для глаз и кожи. Металл пожаро- и взрывоопасен.
Иттербий — мягкий, ковкий и пластичный химический элемент . В свежеприготовленном виде он менее золотистый, чем цезий, но более золотистый по цвету, чем просто «желтый оттенок», как в металлах, таких как иридий. Это редкоземельный элемент , и он легко растворяется сильными минеральными кислотами . [10]
Иттербий имеет три аллотропа, обозначенные греческими буквами альфа, бета и гамма. Их температуры превращения составляют −13 ° C и 795 °C, [10] хотя точная температура превращения зависит от давления и напряжения . [11] Бета-аллотроп (6,966 г/см3 ) существует при комнатной температуре и имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру . Высокотемпературный гамма-аллотроп (6,57 г/см3 ) имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру. [10] Альфа-аллотроп (6,903 г/см3 ) имеет гексагональную кристаллическую структуру и стабилен при низких температурах. [12] Бета-аллотроп имеет металлическую электропроводность при нормальном атмосферном давлении, но становится полупроводником при воздействии давления около 16 000 атмосфер (1,6 ГПа ). Его электрическое сопротивление увеличивается в десять раз при сжатии до 39 000 атмосфер (3,9 ГПа), но затем падает примерно до 10% от его удельного сопротивления при комнатной температуре при около 40 000 атм (4,0 ГПа). [10] [13]
В отличие от других редкоземельных металлов, которые обычно обладают антиферромагнитными и/или ферромагнитными свойствами при низких температурах , иттербий является парамагнитным при температурах выше 1,0 кельвина . [14] Однако альфа-аллотроп является диамагнитным . [11] Имея температуру плавления 824 °C и температуру кипения 1196 °C, иттербий имеет наименьший диапазон жидкого состояния среди всех металлов. [10]
В отличие от большинства других лантаноидов, имеющих плотноупакованную гексагональную решетку, иттербий кристаллизуется в гранецентрированной кубической системе. Плотность иттербия составляет 6,973 г/см3 , что значительно ниже, чем у соседних лантаноидов, тулия (9,32 г/см3 ) и лютеция (9,841 г/см3 ). Его температуры плавления и кипения также значительно ниже, чем у тулия и лютеция. Это связано с закрытой электронной конфигурацией иттербия ([Xe] 4f 14 6s 2 ), которая приводит к тому, что для металлической связи доступны только два 6s-электрона (в отличие от других лантаноидов, где доступны три электрона) и увеличивает металлический радиус иттербия . [12 ]
Металлический иттербий медленно тускнеет на воздухе, приобретая золотистый или коричневый оттенок. Тонкодисперсный иттербий легко окисляется на воздухе и в кислороде. Смеси порошкообразного иттербия с политетрафторэтиленом или гексахлорэтаном горят изумрудно-зеленым пламенем. [15] Иттербий реагирует с водородом , образуя различные нестехиометрические гидриды . Иттербий медленно растворяется в воде, но быстро в кислотах, выделяя водород. [12]
Иттербий весьма электроположителен и медленно реагирует с холодной водой и довольно быстро с горячей водой, образуя гидроксид иттербия (III): [16]
Иттербий реагирует со всеми галогенами : [16]
Ион иттербия(III) поглощает свет в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, но не в видимом свете , поэтому иттербий , Yb 2 O 3 , имеет белый цвет, а соли иттербия также бесцветны. Иттербий легко растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием растворов, содержащих бесцветные ионы Yb(III), которые существуют в виде негидратных комплексов: [16]
Хотя обычно трехвалентный, иттербий легко образует двухвалентные соединения. Такое поведение необычно для лантаноидов , которые почти исключительно образуют соединения со степенью окисления +3. Состояние +2 имеет конфигурацию валентных электронов 4 f 14 , поскольку полностью заполненная f -оболочка обеспечивает большую стабильность. Желто-зеленый ион иттербия(II) является очень сильным восстановителем и разлагает воду, выделяя газообразный водород, и, таким образом, в водном растворе встречается только бесцветный ион иттербия(III) . Самарий и тулий также ведут себя таким образом в состоянии +2, но европий (II) стабилен в водном растворе. Металлический иттербий ведет себя подобно металлическому европию и щелочноземельным металлам, растворяясь в аммиаке с образованием синих электридных солей. [12]
Природный иттербий состоит из семи стабильных изотопов : 168 Yb, 170 Yb, 171 Yb, 172 Yb, 173 Yb, 174 Yb и 176 Yb, причем 174 Yb является наиболее распространенным, составляя 31,8% от естественного содержания ). Было обнаружено тридцать два радиоизотопа , наиболее стабильными из которых являются 169 Yb с периодом полураспада 32,0 дня, 175 Yb с периодом полураспада 4,18 дня и 166 Yb с периодом полураспада 56,7 часа. Все остальные радиоактивные изотопы имеют периоды полураспада менее двух часов, и большинство из них имеют периоды полураспада менее 20 минут. Иттербий также имеет 12 метасостояний , наиболее стабильным из которых является 169m Yb ( t 1/2 46 секунд). [17] [9]
Изотопы иттербия варьируются от 149 Yb до 187 Yb. [9] [18] Первичный режим распада изотопов иттербия, более легких, чем наиболее распространенный стабильный изотоп 174 Yb, — это захват электронов , а первичный режим распада для тех, что тяжелее 174 Yb, — это бета-распад . Первичными продуктами распада изотопов иттербия, более легких, чем 174 Yb, являются изотопы тулия , а первичными продуктами распада изотопов иттербия, более тяжелых, чем 174 Yb, являются изотопы лютеция . [17] [9]
Иттербий встречается вместе с другими редкоземельными элементами в нескольких редких минералах . Чаще всего его извлекают в коммерческих целях из монацитового песка (0,03% иттербия). Элемент также встречается в эвксените и ксенотиме . Основные районы добычи — Китай, США, Бразилия , Индия, Шри-Ланка и Австралия. Запасы иттербия оцениваются в один миллион тонн . Иттербий обычно трудно отделить от других редкоземельных элементов, но методы ионного обмена и экстракции растворителем, разработанные в середине-конце 20-го века, упростили разделение. Соединения иттербия редки и еще недостаточно хорошо охарактеризованы. Распространенность иттербия в земной коре составляет около 3 мг/кг. [13]
Как четный лантаноид, в соответствии с правилом Оддо-Харкинса , иттербий значительно более распространен, чем его непосредственные соседи, тулий и лютеций , которые встречаются в том же концентрате на уровнях около 0,5% каждый. Мировое производство иттербия составляет всего около 50 тонн в год, что отражает то, что он имеет мало коммерческих применений. [13] Микроскопические следы иттербия используются в качестве легирующей примеси в лазере Yb:YAG , твердотельном лазере , в котором иттербий является элементом, который подвергается вынужденному излучению электромагнитного излучения . [ 19]
Иттербий часто является наиболее распространенным заменителем в иттриевых минералах. В очень немногих известных случаях/проявлениях иттербий преобладает над иттрием, как, например, в ксенотиме -(Yb). Известно сообщение о самородном иттербии из реголита Луны . [20]
Отделить иттербий от других лантаноидов относительно сложно из-за его схожих свойств. В результате этот процесс довольно длительный. Сначала минералы, такие как монацит или ксенотим, растворяются в различных кислотах, таких как серная кислота . Затем иттербий можно отделить от других лантаноидов ионным обменом , как и другие лантаноиды. Затем раствор наносят на смолу , с которой разные лантаноиды связываются с разным сродством. Затем его растворяют с помощью комплексообразователей , и из-за разных типов связей, проявляемых разными лантаноидами, можно выделить соединения. [21] [22]
Иттербий отделяется от других редкоземельных элементов либо ионным обменом , либо восстановлением с помощью амальгамы натрия. В последнем методе буферный кислый раствор трехвалентных редкоземельных элементов обрабатывается расплавленным сплавом натрия и ртути, который восстанавливает и растворяет Yb 3+ . Сплав обрабатывается соляной кислотой . Металл извлекается из раствора в виде оксалата и преобразуется в оксид путем нагревания. Оксид восстанавливается до металла путем нагревания с лантаном , алюминием , церием или цирконием в высоком вакууме. Металл очищается путем сублимации и собирается на конденсированной пластине. [23]
Химическое поведение иттербия похоже на поведение остальных лантаноидов . Большинство соединений иттербия находятся в степени окисления +3, и его соли в этой степени окисления почти бесцветны. Подобно европию , самарию и тулию , тригалогениды иттербия могут быть восстановлены до дигалогенидов водородом , цинковой пылью или добавлением металлического иттербия. [12] Степень окисления +2 встречается только в твердых соединениях и реагирует в некоторых отношениях аналогично соединениям щелочноземельных металлов ; например, оксид иттербия (II) (YbO) показывает ту же структуру, что и оксид кальция (CaO). [12]
Иттербий образует как дигалогениды, так и тригалогениды с галогенами фтором , хлором , бромом и иодом . Дигалогениды подвержены окислению до тригалогенидов при комнатной температуре и непропорциональны тригалогенидам и металлическому иттербию при высокой температуре: [12]
Некоторые галогениды иттербия используются в качестве реагентов в органическом синтезе . Например, хлорид иттербия(III) (YbCl3 ) является кислотой Льюиса и может использоваться в качестве катализатора в реакциях Альдоля [24] и Дильса-Альдера . [25] Иодид иттербия(II) (YbI2 ) может использоваться, как и иодид самария(II) , в качестве восстановителя для реакций сочетания . [26] Фторид иттербия(III) (YbF3 ) используется в качестве инертной и нетоксичной зубной пломбы , поскольку он непрерывно выделяет ионы фтора , которые полезны для здоровья зубов, а также является хорошим рентгеноконтрастным веществом . [27]
Иттербий реагирует с кислородом, образуя оксид иттербия(III) ( Yb2O3 ) , который кристаллизуется в структуре «полуторного оксида редкоземельного элемента C-типа», которая связана со структурой флюорита с удаленной четвертью анионов, что приводит к атомам иттербия в двух различных шестикоординированных (неоктаэдрических) средах. [28] Оксид иттербия(III) может быть восстановлен до оксида иттербия(II) (YbO) с помощью элементарного иттербия, который кристаллизуется в той же структуре, что и хлорид натрия . [12]
Додекаборид иттербия (YbB 12 ) — это кристаллический материал, который изучался для понимания различных электронных и структурных свойств многих химически родственных веществ. Это изолятор Кондо . [29] Это квантовый материал ; при нормальных условиях внутренняя часть объемного кристалла является изолятором, тогда как поверхность обладает высокой проводимостью . [30] Среди редкоземельных элементов иттербий является одним из немногих, способных образовывать стабильный додекаборид, свойство которого объясняется его сравнительно малым атомным радиусом. [31]
Иттербий был открыт швейцарским химиком Жаном Шарлем Галиссаром де Мариньяком в 1878 году. Исследуя образцы гадолинита , Мариньяк обнаружил новый компонент в земле, тогда известный как эрбия , и назвал его иттербием, в честь Иттерби , шведской деревни, недалеко от которой он нашел новый компонент эрбия. Мариньяк подозревал, что иттербий является соединением нового элемента, который он назвал «иттербием». [13] [27] [32] [33] [34]
В 1907 году французский химик Жорж Урбен разделил иттербий Мариньяка на два компонента: неойттербий и лютеций . Неойттербий позже стал известен как элемент иттербий, а лютеция стала известна как элемент лютеций . Австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах независимо друг от друга выделил эти элементы из иттербия примерно в то же время, но он назвал их альдебараниум ( Ad ; в честь Альдебарана ) и кассиопей ; [13] американский химик Чарльз Джеймс также независимо выделил эти элементы примерно в то же время. [35] Урбен и Вельсбах обвинили друг друга в публикации результатов, основанных на другой стороне. [36] [37] [38] Комиссия по атомной массе, состоящая из Фрэнка Вигглсворта Кларка , Вильгельма Оствальда и Жоржа Урбена, которая тогда отвечала за присвоение новых названий элементам, урегулировала спор в 1909 году, предоставив приоритет Урбену и приняв его названия в качестве официальных, основываясь на том факте, что отделение лютеция от иттербия Мариньяка было впервые описано Урбеном. [36] После того, как названия Урбена были признаны, неойттербий был возвращен к иттербию .
Химические и физические свойства иттербия не могли быть определены с какой-либо точностью до 1953 года, когда был получен первый почти чистый металлический иттербий с использованием ионообменных процессов. [13] Цена на иттербий была относительно стабильной в период с 1953 по 1998 год и составляла около 1000 долларов США/кг. [39]
Изотоп 169 Yb (с периодом полураспада 32 дня), который создается вместе с короткоживущим изотопом 175 Yb ( период полураспада 4,2 дня) путем нейтронной активации во время облучения иттербия в ядерных реакторах , использовался в качестве источника излучения в портативных рентгеновских аппаратах. Подобно рентгеновским лучам, гамма-лучи , испускаемые источником, проходят через мягкие ткани тела, но блокируются костями и другими плотными материалами. Таким образом, небольшие образцы 169 Yb (которые испускают гамма-лучи) действуют как крошечные рентгеновские аппараты, полезные для рентгенографии небольших объектов. Эксперименты показывают, что рентгенограммы, полученные с помощью источника 169 Yb, примерно эквивалентны рентгенограммам, полученным с помощью рентгеновских лучей с энергией от 250 до 350 кэВ. 169 Yb также используется в ядерной медицине . [40]
В 2013 году иттербиевые часы установили рекорд стабильности хода, погрешность хода составляла менее двух частей квинтиллиона (2 × 10 −18 ). [41] Эти часы, разработанные в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), основаны на примерно 10 000 атомах иттербия, охлажденных лазером до 10 микрокельвинов (10 миллионных градуса выше абсолютного нуля ) и заключенных в оптическую решетку — ряд блинообразных колодцев, сделанных из лазерного света. Другой лазер, который «тикает» 518 триллионов раз в секунду (518 ТГц), вызывает переход между двумя энергетическими уровнями в атомах. Большое количество атомов является ключом к высокой стабильности часов.
Видимые световые волны колеблются быстрее, чем микроволны, поэтому оптические часы могут быть точнее, чем атомные часы на цезии . Physikalisch-Technische Bundesanstalt работает над несколькими такими оптическими часами. Модель с одним единственным ионом иттербия, пойманным в ионную ловушку, является очень точной. Оптические часы, основанные на ней, точны до 17 знаков после запятой. [42]
Пара экспериментальных атомных часов на основе атомов иттербия в Национальном институте стандартов и технологий установила рекорд стабильности. Физики NIST сообщили в выпуске Science Express от 22 августа 2013 года, что тики иттербиевых часов стабильны с точностью менее двух частей квинтиллиона ( единица с 18 нулями), что примерно в 10 раз лучше предыдущих лучших опубликованных результатов для других атомных часов. Часы будут показывать точность в пределах секунды в течение периода, сопоставимого с возрастом Вселенной. [43]
Иттербий также может использоваться в качестве легирующей добавки для улучшения измельчения зерна, прочности и других механических свойств нержавеющей стали . Некоторые сплавы иттербия редко использовались в стоматологии . [10] [13]
Ион Yb3 + используется в качестве легирующего материала в активных лазерных средах , в частности, в твердотельных лазерах и двухслойных волоконных лазерах. Иттербиевые лазеры высокоэффективны, имеют длительный срок службы и могут генерировать короткие импульсы; иттербий также может быть легко включен в материал, используемый для изготовления лазера. [44] Иттербиевые лазеры обычно излучают в диапазоне 1,03–1,12 мкм , будучи оптически накачиваемыми на длине волны 900 нм–1 мкм, в зависимости от хозяина и применения. Небольшой квантовый дефект делает иттербий перспективным легирующим веществом для эффективных лазеров и масштабирования мощности . [45]
Кинетика возбуждений в легированных иттербием материалах проста и может быть описана в рамках концепции эффективных сечений ; для большинства легированных иттербием лазерных материалов (как и для многих других оптически накачиваемых усиливающих сред) соотношение Маккамбера справедливо, [46] [47] [48] хотя его применение к легированным иттербием композитным материалам обсуждалось. [49] [50]
Обычно используются низкие концентрации иттербия. При высоких концентрациях легированные иттербием материалы демонстрируют фотопотемнение [51] (стеклянные волокна) или даже переключение на широкополосное излучение [52] (кристаллы и керамика) вместо эффективного лазерного воздействия. Этот эффект может быть связан не только с перегревом, но и с условиями компенсации заряда при высоких концентрациях ионов иттербия. [53]
Значительный прогресс был достигнут в области масштабирования мощности лазеров и усилителей, производимых с использованием оптических волокон, легированных иттербием (Yb). Уровни мощности увеличились с режимов 1 кВт благодаря достижениям в компонентах, а также волокнам, легированным Yb. Изготовление волокон с низкой числовой апертурой и большой площадью моды позволяет достичь почти идеального качества пучка (M2 < 1,1) при уровнях мощности от 1,5 кВт до более 2 кВт при ~ 1064 нм в широкополосной конфигурации. [54] Волокна LMA, легированные иттербием, также имеют преимущества большего диаметра поля моды, что сводит на нет влияние нелинейных эффектов, таких как вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и вынужденное рассеяние Рамана , которые ограничивают достижение более высоких уровней мощности, и обеспечивают явное преимущество по сравнению с одномодовыми волокнами, легированными иттербием.
Для достижения еще более высоких уровней мощности в волоконных системах на основе иттербия необходимо учитывать все факторы волокна. Этого можно достичь только путем оптимизации всех параметров иттербиевого волокна, начиная от фоновых потерь сердцевины и заканчивая геометрическими свойствами, чтобы уменьшить потери на сращивании внутри полости. Масштабирование мощности также требует оптимизации согласования пассивных волокон внутри оптической полости. [55] Оптимизация самого стекла, легированного иттербием, путем модификации стекла-хозяина различными легирующими примесями также играет большую роль в снижении фоновых потерь стекла, улучшении эффективности наклона волокна и улучшении характеристик фотозатемнения, все из которых способствуют повышению уровней мощности в системах 1 мкм.
Заряженный ион 171 Yb + используется несколькими академическими группами и компаниями в качестве захваченного ионного кубита для квантовых вычислений . [56] [57] [58] Запутывающие вентили , такие как вентиль Мельмера-Серенсена , были получены путем адресации ионов с помощью импульсных лазеров с синхронизированными модами . [59]
Металл иттербий увеличивает свое электрическое сопротивление при воздействии высоких напряжений. Это свойство используется в датчиках напряжений для контроля деформаций грунта от землетрясений и взрывов. [60]
В настоящее время иттербий исследуется как возможная замена магния в пиротехнических полезных нагрузках высокой плотности для кинематических инфракрасных ложных вспышек . Поскольку оксид иттербия (III) имеет значительно более высокую излучательную способность в инфракрасном диапазоне, чем оксид магния , более высокая интенсивность излучения достигается с полезными нагрузками на основе иттербия по сравнению с теми, которые обычно основаны на магнии/тефлоне/витоне (MTV). [61]
Хотя иттербий довольно стабилен химически, его хранят в герметичных контейнерах и в инертной атмосфере, например, в сухом ящике, заполненном азотом, чтобы защитить его от воздуха и влаги. [62] Все соединения иттербия считаются высокотоксичными , хотя исследования, по-видимому, указывают на то, что опасность минимальна. Однако соединения иттербия вызывают раздражение кожи и глаз человека, а некоторые могут быть тератогенными . [63] Металлическая пыль иттербия может самопроизвольно воспламеняться. [64]
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )