Иттербий химический элемент

Иттербий (Yb) — это неорганический химический элемент с атомным номером 70.

Это редкоземельный металл светло-серого цвета, относящийся к семейству лантаноидов. Он глянцевитый, вязкий и ковкий.

Получил своё название, как и несколько других элементов (тербий, эрбий, иттрий), в честь небольшой шведской деревни Иттербю, где был найден минерал, содержащий эти элементы.

Используется в различных областях, включая лазерные материалы (для мощных волоконных лазеров), термоэлектрические материалы и электронику.

Что такое иттербий

Иттербий [Ytterbium; от назв. селения Иттербю (Ytterby) в Швеции], Yb — химический элемент 3-й группы шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Атомный номер 70, атомная масса 173,04; относится к редкоземельным элементам.

Металл светло-серого цвета. В соединениях проявляет степени окисления + 2 и + 3.

Иттербий открыл в 1878 швейц. химик Ж. Мариньяк. Содержание   иттербий    в  земной коре 3 • 10^-4 %.

Основными промышленными минералами для получения металла служат ксенотим и эвксенит.

История открытия

Был найден в рамках многолетних исследований «редких земель» — группы элементов, которые оказалось очень сложно разделить из-за их схожих химических свойств.

Находка минерала: История началась в 1787 году, когда в карьере около шведской деревни Иттербю был найден необычно тяжёлый чёрный минерал, который позже получил название гадолинит.

Первые анализы: В 1794 году финский химик Йохан Гадолин проанализировал этот минерал и обнаружил в нём «новые земли» (оксиды неизвестных металлов).

Открытие иттербия: Сам иттербий был выделен значительно позже.

В 1878 году швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк (Jean Charles Galissard de Marignac) смог отделить новую «землю» (оксид) от оксида эрбия.

Он назвал этот новый оксид оксидом иттербия.

Физические свойства

Иттербий полиморфен, т-ра полиморфного превращения 798° С. Кристаллическая решетка:

1. Низкотемпературной модификации — кубическая гранецентрированная с периодом а = 5,4862 А.
2. Высокотемпературной   —   объемноцентрированная кубическая  с периодом а = 4,44 А.

Плотность 6,972 г/см³; t_пл 816° С; t_кип 1193° С; коэфф. теплопроводности 0,0673 кал/см х сек х град; теплоемкость 6,16   кал/г-атом х град.

Электрическое сопротивление 27 мком-см; работа выхода электронов 2,59 эв. Модуль    норм.     упругости    1820 кгс/мм²;   НВ — 20   (литого).

Иттербий легко поддается механической обработке. По физико-химическим свойствам иттербий близок к щелочноземельным   металлам — кальцию, барию и стронцию.

Интересный факт: используется в создании одних из самых точных атомных часов в мире.

Эти «иттербиевые» часы настолько точны, что могут ошибаться менее чем на одну секунду за миллиарды лет.

Химические свойства

Химически активен; взаимодействует с кислородом, галогенами, серой, азотом, водородом и др.

Очень быстро окисляется на воздухе, превращаясь в белый порошок. Сплавляется со мн. металлами, плавят его в инертной среде или в вакууме.

Получают металлотермическим восстановлением. Окислы восстанавливают  лантаном  при т-ре 1000—1500° С и затем дистиллируют для получения металла чистотой выше 99,0%.

⚗️ Реакции с неметаллами:
Реакция с кислородом (горение на воздухе):

Иттербий медленно тускнеет на воздухе, образуя оксид иттербия(III).

При нагревании горит:

4Yb(тв) + 3O₂(г) → 2Yb₂O₃ (тв) (Оксид иттербия(III) — белый порошок).

Реакция с галогенами (фтор, хлор, бром, йод):

Иттербий реагирует со всеми галогенами, образуя соответствующие галогениды иттербия(III):

2Yb(тв) + 3F₂(г) → 2YbF₃(тв) (фторид иттербия(III) — белый)

2Yb(тв) + 3Cl₂(г) → 2YbCl₃ (тв) (хлорид иттербия(III) — белый)

Реакция с серой:

Реагирует с серой при нагревании с образованием сульфида:
2Yb(тв) + 3S(тв) → Yb₂S₃(тв) (сульфид иттербия(III) — жёлтый)

Реакция с азотом:

При нагревании реагирует с азотом с образованием нитрида иттербия:
2Yb(тв) + N₂(г) → 2YbN(тв)

⚗️ Реакции с водой и кислотами:

Реакция с водой:

Иттербий является достаточно электроположительным металлом.

Он медленно реагирует с холодной водой и достаточно быстро с горячей водой, образуя гидроксид иттербия (III) и водород:

2Yb(тв) + 6H₂O(ж) → 2Yb(OH)₃ (водн) + 3H₂(г)

⚗️ Реакция с кислотами:

Иттербий легко растворяется в разбавленных неорганических кислотах (кроме плавиковой кислоты, с которой образует защитный слой).

Образуя соль иттербия(III) и выделяя водород:

2Yb(тв) + 3H₂SO₄ (разб. водн) → Yb₂(SO₄)₃(водн) + 3H₂(г)

(Ион Yb³⁺ в водном растворе обычно существует в виде гидратированного комплекса, например, [Yb(H₂O)₉]³⁺)

С плавиковой кислотой (HF) образует нерастворимый фторид, который пассивирует поверхность металла:

2Yb(тв) + 6HF(водн) → 2YbF₃ (тв)↓ + 3H₂(г)

Существование степени окисления +2:

Иттербий, наряду с европием и самарием, является одним из немногих лантаноидов, способных проявлять степень окисления +2.

Это связано с относительной стабильностью электронной конфигурации с полностью заполненной 4f-подоболочкой после потери двух 6s-электронов.

⚗️ Примеры соединений, где иттербий проявляет степень окисления +2:

Дигалогениды: Например, YbCl₂ (дихлорид иттербия).

Эти соединения получают восстановлением соответствующих тригалогенидов (например, YbCl₃ водородом или металлическим иттербием).

2YbCl₃(тв) + H₂(г) → 2YbCl₂(тв) + 2HCl(г)

Оксид иттербия(II): YbO

Yb₂O₃(тв) + Yb(тв) → 3YbO(тв)

Изотопы

Известны изотопы иттербия с массовыми числами от ¹⁶⁶Yb до ¹⁷⁷Yb, из них стабильные изотопы — с массовыми числами ¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁰Yb — ¹⁷⁴Yb и ¹⁷⁶Yb.

Получение

Промышленное получение иттербия является частью общего процесса производства всех редкоземельных металлов и включает следующие этапы:

1. Добыча и обогащение руды.
2. Химическая переработка концентрата.
3. Разделение редкоземельных элементов.
4. Восстановление до металлического иттербия.

✅ Восстановление до металлического иттербия:

Восстановление оксида: Очищенный оксид иттербия (Yb₂O₃) может быть восстановлен более активными металлами, такими как лантан (La) или кальций (Ca), при высоких температурах и в вакууме.
Yb₂O₃ + 3La (T,вакуум) → 2Yb + La₂O₃

Yb₂O₃ + 3Ca (T, вакуум) → 2Yb + 3CaO

Металлический иттербий отгоняется в вакууме из реакционной смеси.

Электролиз расплавленных солей: Другой метод — электролиз расплавов галогенидов иттербия (например, YbCl₃ или YbF₃) при высоких температурах. Это требует очень чистого исходного материала и специальных электролизеров.

✅ В лабораторных условиях не занимаются полным циклом от руды, а работают с уже разделенными и очищенными солями или оксидами иттербия.

Наиболее распространенный лабораторный метод для получения металлического иттербия — это восстановление безводного галогенида иттербия (обычно YbF₃ или YbCl₃).

Щелочноземельными металлами (кальцием) или щелочными металлами (литием) в условиях высокого вакуума и высоких температур:

2YbF₃ + 3Ca (T,вакуум) → 2Yb + 3CaF₂

Реакция проводится в специальных аппаратах из тантала или вольфрама для предотвращения загрязнения.

Металлический иттербий отделяется путем сублимации или перегонки в вакууме.

Применение

Выпускают в виде небольших слитков. Чистый используют для исследовательских целей.

Применение окислов и солей перспективно в радиоэлектронике в качестве кристаллофосфоров и люминофоров.

Лазерные технологии.

1. Волоконные лазеры.
2. Лазерные кристаллы.

Электроника и датчики.

1. Датчики давления (тензодатчики).
2. Диэлектрики.
3. Керамические конденсаторы и люминофоры.

Атомные часы.

Радиография и ядерная медицина.

Металлургия.

Катализаторы.

Литература

Савицкий Е. М. [и др.]. Сплавы редкоземельных металлов.

Часто задаваемые вопросы