Yb · Element 70 · Lanthanoid
Eine weiche Seltene Erde, deren elektrischer Widerstand unter Druck sprunghaft ansteigt und sie dadurch zu einem Spannungsmessgerät macht.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Ytterbium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 176 pm — das entspricht 0,176 nm; etwa 2,84 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Ytterbium ist über einen Bereich von 377 K flüssig, von 1092 K bis 1469 K.
Die Geschichte
Eine weiche Seltene Erde, deren elektrischer Widerstand unter Druck sprunghaft ansteigt und sie dadurch zu einem Spannungsmessgerät macht.
Entdeckt von: Jean Charles Galissard de Marignac in Genf, Schweiz (1878)
Benannt nach: Ytterby, Schweden – damit war das Quartett der Elemente aus diesem berühmten Steinbruch vollständig
Mit der Entdeckung von Ytterbium wurde die bemerkenswerte Geschichte des Steinbruchs von Ytterby vollendet, der letztlich die Namen für vier verschiedene Elemente lieferte. Jean Charles Galissard de Marignac, der an der Universität Genf arbeitete, untersuchte Proben von Erbiumoxid, als er 1878 Hinweise auf ein weiteres unbekanntes Element entdeckte.
Marignac hatte jahrelang Verfahren zur Trennung Seltener Erden verfeinert und war zu einem der führenden Experten Europas auf dem Gebiet der Lanthanoidchemie geworden. Sein systematischer Ansatz verband fortschrittliche analytische Chemie mit sorgfältiger spektroskopischer Analyse.
Der Schlüssel zu Marignacs Erfolg war der Einsatz verbesserter spektroskopischer Verfahren. Er beobachtete zuvor unbekannte Absorptionslinien im nahen Infrarotbereich, die in bestimmten Fraktionen seiner getrennten Erbiumproben beständig auftraten.
Durch systematische fraktionierte Kristallisation von Erbiumverbindungen isolierte Marignac eine Komponente, die deutlich andere optische Eigenschaften als jedes bekannte Element der Seltenen Erden zeigte. Die charakteristischen Absorptionslinien bei 977 und 1015 Nanometern lieferten den eindeutigen Nachweis eines neuen Elements.
Indem er seine Entdeckung „Ytterbium“ nannte, vollendete Marignac den bemerkenswerten Beitrag des Steinbruchs von Ytterby zum Periodensystem. Dieser kleine schwedische Ort hatte nun die Namen für Yttrium (1794), Erbium (1843), Terbium (1843) und Ytterbium (1878) geliefert – eine einzigartige Leistung in der Geschichte der Chemie.
Marignacs Entdeckung des Ytterbiums stieß in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zunächst auf Skepsis, da die chemische Ähnlichkeit benachbarter Lanthanoide extrem groß ist. Eine eindeutige Bestätigung erforderte die unabhängige Überprüfung durch mehrere Forschungsgruppen mit unterschiedlichen Analysetechniken.
1907 stellte sich heraus, dass Marignacs „Ytterbium“ zwei verschiedene Elemente enthielt. Bei dem, was er isoliert hatte, handelte es sich tatsächlich um ein Gemisch aus Ytterbium und Lutetium (Element 71). Diese Entdeckung führte zu einem Prioritätsstreit zwischen Georges Urbain in Frankreich und Carl Auer von Welsbach in Österreich darüber, wer die beiden Elemente zuerst getrennt hatte.
Heute erkennen wir Marignacs grundlegenden Beitrag zur Chemie der Seltenen Erden an, obwohl seine ursprüngliche Ytterbiumprobe mehrere Elemente enthielt. Sein systematischer Ansatz zur Trennung und spektroskopischen Analyse begründete Methoden, die spätere Entdeckungen ermöglichten.
Das Element, das Marignac mit Verfahren des 19. Jahrhunderts mühsam abtrennte, ermöglicht heute die präzisesten Messungen von Zeit und Raum weltweit. Dies zeigt, wie grundlegende wissenschaftliche Entdeckungen Anwendungen weit über die Vorstellungskraft ihrer Entdecker hinaus finden können.
Marignacs Arbeit an den Elementen der Seltenen Erden brachte ihm internationale Anerkennung ein und trug dazu bei, die Schweiz als Zentrum der präzisen analytischen Chemie zu etablieren. Seine Verfahren beeinflussten Generationen von Chemikern und trugen zu unserem modernen Verständnis der Atomstruktur und des Periodensystems bei.
Anwendungen
Ytterbium hat sich als entscheidendes Element für Präzisionstechnologien der nächsten Generation, die Quantenwissenschaft und die Forschung an modernen Werkstoffen etabliert. Obwohl es zu den weniger häufigen Elementen der Seltenen Erden gehört, haben seine einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften es für hochmoderne wissenschaftliche Instrumente und aufkommende Quantentechnologien unverzichtbar gemacht.
Atomuhren auf Ytterbiumbasis stellen den Höhepunkt der Präzision bei der Zeitmessung dar und erreichen Genauigkeiten, bei denen über das gesamte Alter des Universums weniger als eine Sekunde verloren ginge. Diese optischen Gitteruhren nutzen laserkühlte Ytterbiumatome, die in kristallinen Lichtstrukturen gefangen sind, um die Zeit mit bisher unerreichter Präzision zu messen.
Die optische Ytterbiumuhr arbeitet mit Frequenzen, die mehr als 100.000-mal höher sind als die von Cäsiumatomuhren. Dadurch lassen sich gravitative Zeitdilatationseffekte über Höhenunterschiede von nur wenigen Zentimetern nachweisen. Diese Fähigkeiten revolutionieren die Forschung in der Grundlagenphysik und ermöglichen neue Tests von Einsteins Relativitätstheorien.
Ytterbiumatomuhren werden für Satellitennavigationssysteme der nächsten Generation entwickelt, die eine Positionsgenauigkeit im Zentimeterbereich statt im Meterbereich ermöglichen sollen. Diese hochpräzisen Zeitmesser werden die Navigation autonomer Fahrzeuge, die Präzisionslandwirtschaft und wissenschaftliche Messungen ermöglichen, die eine äußerst genaue Positionsbestimmung erfordern.
Mit Ytterbium dotierte faseroptische Sensoren ermöglichen hochempfindliche Messungen von Dehnung und Temperatur zur Überwachung des strukturellen Zustands von Brücken, Gebäuden, Flugzeugen und Raumfahrzeugen. Diese Sensoren können Verformungen erkennen, die kleiner als die Breite eines Atoms sind, und ermöglichen dadurch vorausschauende Wartung und die Sicherheitsüberwachung kritischer Infrastruktur.
Ytterbium-Faserlaser bieten außergewöhnliche Leistungen bei der Werkstoffbearbeitung, in der wissenschaftlichen Forschung und bei industriellen Anwendungen. Diese leistungsstarken und effizienten Lasersysteme können die dicksten Metalle durchtrennen, unterschiedliche Werkstoffe mit höchster Präzision verschweißen und moderne Fertigungstechniken ermöglichen, die mit herkömmlichen Lasern nicht realisierbar sind.
Ytterbiumionen dienen aufgrund ihrer außergewöhnlich langen Quantenkohärenzzeiten als Qubits in Quantencomputern mit gefangenen Ionen. Führende Quantencomputerunternehmen nutzen Systeme auf Ytterbiumbasis für die Verarbeitung von Quanteninformationen, Quantensimulationen und Anwendungen in der Quantennetzwerktechnik.
Die einzigartige elektronische Struktur von Ytterbium macht es für moderne Spektroskopie, Kontrastmittel für die Magnetresonanztomografie und Präzisionsmessinstrumente äußerst wertvoll. Forschungslabore weltweit sind für Experimente zur Grundlagenphysik und die Charakterisierung von Werkstoffen auf Ytterbiumbasis angewiesen.
Ytterbiumverbindungen dienen als Kontrastmittel für moderne Verfahren der medizinischen Bildgebung, darunter CT-Scans und spezielle Röntgenuntersuchungen. Diese Mittel liefern einen besseren Bildkontrast und verringern im Vergleich zu herkömmlichen Alternativen die Strahlenbelastung der Patienten.
Ytterbiumanwendungen zielen auf Premium-Marktsegmente, in denen die außergewöhnliche Leistung höhere Kosten rechtfertigt. Allein der Markt für Atomuhren umfasst jährlich mehr als $500 Millionen, wobei Systeme auf Ytterbiumbasis aufgrund ihrer überlegenen Leistung die höchsten Preise erzielen.
Große Technologieunternehmen, darunter Google, IBM und IonQ, investieren intensiv in die Forschung zu Quantencomputern auf Ytterbiumbasis. Regierungsbehörden weltweit finanzieren die Entwicklung von Ytterbiumatomuhren für Navigation und wissenschaftliche Anwendungen der nächsten Generation.
Die Kommerzialisierung der Quantentechnologie treibt das rasche Wachstum der Ytterbiumnachfrage voran. Es wird erwartet, dass der weltweite Markt für Quantencomputer bis 2030 ein Volumen von $65 Milliarden erreicht, wobei Ionenfallensysteme auf Ytterbiumbasis einen bedeutenden Anteil darstellen.
Systeme auf Ytterbiumbasis stellen in ihren jeweiligen Anwendungsbereichen kontinuierlich neue Leistungsrekorde auf. Von den genauesten Uhren der Welt bis zu den leistungsstärksten industriellen Faserlasern ermöglicht Ytterbium bahnbrechende Fähigkeiten in zahlreichen Technologiesektoren.
Woher es stammt
3,2 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 63 % der Elemente
Ytterbium kommt in der Erdkruste mit ungefähr 3,2 Teilen pro Million vor. Damit ist es etwa so häufig wie Zinn und deutlich häufiger als viele andere schweren Elemente der Seltenen Erden. Wirtschaftlich nutzbare Ytterbiumvorkommen sind jedoch geografisch konzentriert und technisch anspruchsvoll zu verarbeiten.
China (85 % der weltweiten Produktion): Die Ionenadsorptionstonvorkommen in den südchinesischen Provinzen Jiangxi, Guangdong und Fujian enthalten die weltweit bedeutendsten Ytterbiumkonzentrationen. Diese Vorkommen entstanden über Millionen von Jahren durch tropische Verwitterung von Granitintrusionen.
Australien: Das Vorkommen der Seltenen Erden am Mount Weld enthält beträchtliche Ytterbiumreserven, obwohl sich die derzeitige Verarbeitung auf die Gewinnung leichter Seltener Erden konzentriert. Künftige Erweiterungen könnten Anlagen zur Abtrennung schwerer Seltener Erden umfassen.
Malaysia: Die Lynas Advanced Materials Plant verarbeitet australisches Konzentrat zu getrennten Oxiden der Seltenen Erden, darunter hochreines Ytterbiumoxid für Präzisionsanwendungen.
Die Abtrennung von Ytterbium erfordert aufgrund der Lanthanoidkontraktion aufwendige mehrstufige Verfahren. Durch Flüssig-Flüssig-Extraktion mit speziellen Phosphonsäure-Extraktionsmitteln kann Ytterbium selektiv von anderen schweren Seltenen Erden getrennt werden. Eine vollständige Reinigung erfordert jedoch Dutzende Extraktionsstufen.
Für Anwendungen in Atomuhren benötigtes ultrahochreines Ytterbium (99,999 %) erfordert eine zusätzliche Raffination durch Zonenschmelzen, Sublimation und spezielle Kristallzüchtungstechniken.
Präzisionsanwendungen erfordern Ytterbium mit einem Mindestmaß an Verunreinigungen, insbesondere an Übergangsmetallen, die optische und elektronische Eigenschaften beeinträchtigen können. Moderne Analysetechniken wie ICP-MS und optische Spektroskopie stellen sicher, dass die Produktspezifikationen den hohen Anforderungen der jeweiligen Anwendung entsprechen.
Der hohe Wert von Ytterbiumanwendungen macht Recycling wirtschaftlich attraktiv. Spezialisierte Verfahren können ultrahochreines Ytterbium aus ausgedienten wissenschaftlichen Instrumenten, Lasersystemen und Quantencomputer-Hardware zurückgewinnen.
Tiefsee-Polymetallknollen enthalten beträchtliche Ytterbiumkonzentrationen und könnten künftig zur Diversifizierung der Versorgung beitragen. Die Forschung zur Gewinnung aus Meerwasser wird fortgesetzt, obwohl marine Quellen mit der derzeitigen Technologie wirtschaftlich nicht rentabel sind.
Angesichts der Bedeutung von Ytterbium für Quantentechnologien und Präzisionszeitsysteme ist die Diversifizierung der Lieferkette zu einer strategischen Priorität für technologisch abhängige Staaten geworden. Investitionen in alternative Verarbeitungskapazitäten außerhalb Chinas nehmen zu.
Handhabung
Ytterbium und seine Verbindungen stellen unter normalen Laborbedingungen ein minimales Toxizitätsrisiko dar. Für die meisten Anwendungen sind standardmäßige Sicherheitsverfahren ausreichend; besondere Aufmerksamkeit gilt der Lasersicherheit und den Anforderungen beim Umgang mit ultrahochreinen Materialien.
Kontaminationskontrolle: Ultrahochreines Ytterbium für Atomuhren erfordert Verfahren für den Umgang im Reinraum. Selbst Spuren von Verunreinigungen können die Leistung von Präzisionszeitsystemen beeinträchtigen.
Lasersicherheit: Ytterbium-Faserlaser können extrem hohe optische Leistungen erzeugen, die Lasersicherheitsprotokolle der Klasse 4 erfordern, einschließlich kontrollierter Zugangsbereiche, Warnsysteme und spezieller Schulungen.
Anwendungen in Atomuhren und Quantencomputern erfordern spezielle Handhabungsverfahren, um extrem niedrige Kontaminationswerte aufrechtzuerhalten. Die Arbeiten müssen in kontrollierten Atmosphären unter Verwendung hochreiner Materialien und spezieller Werkzeuge durchgeführt werden.
Ytterbiumverbindungen in Behältern unter inerter Atmosphäre lagern, um Oxidation und Verunreinigung zu verhindern. Ultrahochreine Materialien erfordern spezielle Lagersysteme mit kontrollierter Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Atmosphärenzusammensetzung.
Aufgrund des hohen Werts und der speziellen Anwendungen von Ytterbium sollten alle Abfallmaterialien zum Recycling gesammelt werden. Komponenten von Präzisionsinstrumenten können rückgewinnbare Mengen an ultrahochreinem Ytterbium enthalten, deren Rückgewinnungskosten erheblich sein können.
Arbeitsplatzgrenzwert: 5 mg/m³ als zeitgewichteter Mittelwert über 8 Stunden für Ytterbiumverbindungen. Für Präzisionsanwendungen ist eine regelmäßige Reinheitsanalyse erforderlich, um die Einhaltung der Produktspezifikationen sicherzustellen.
Präzisionsanwendungen von Ytterbium erfordern kontrollierte Umgebungsbedingungen, darunter Temperaturstabilität (±0,1 °C), geringe Vibrationen und elektromagnetische Abschirmung, um eine Leistungsminderung zu verhindern.
Schnelle Antworten
Ytterbium (Symbol Yb) ist Element 70 im Periodensystem, ein Lanthanoid in der 6. Eine weiche Seltene Erde, deren elektrischer Widerstand unter Druck sprunghaft ansteigt und sie dadurch zu einem Spannungsmessgerät macht. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Xe] 4f¹⁴ 6s²; sie ergibt 6 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 32, 8, 2.Ytterbium schmilzt bei 1092 K (818.9 °C) und siedet bei 1469 K (1195.9 °C).
Die Standardatommasse von Ytterbium beträgt 173.045 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Ytterbium hat eine Dichte von 6.9 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Ytterbium ungefähr 6.9× schwerer.
Ytterbium hat eine Elektronegativität von 1.1 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Ein so niedriger Wert bedeutet, dass es seine Außenelektronen leicht abgibt und dabei positive Ionen bildet.
Ytterbium wurde 1878 von Jean Charles Galissard de Marignac entdeckt. Es ist nach ytterby, Schweden benannt.
Ytterbium macht Über 3.2 mg/kg der Erdkruste aus — nicht häufig, aber auch nicht selten.