Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe ytterbium parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 176 pm — soit 0,176 nm ; il en faudrait donc environ 2,84 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Ytterbium est liquide dans une plage de 377 K, de 1092 K à 1469 K.
L’histoire
Une terre rare douce dont la résistance électrique augmente sous pression, ce qui en fait une jauge de contrainte.
Découvert par : Jean Charles Galissard de Marignac à Genève, en Suisse (1878)
Nommé d’après : Ytterby, en Suède - achevant le quatuor d’éléments provenant de cette célèbre carrière
La découverte de l’ytterbium acheva l’histoire remarquable de la carrière d’Ytterby, qui fournit finalement les noms de quatre éléments différents. Jean Charles Galissard de Marignac, travaillant à l’Université de Genève, étudiait des échantillons d’oxyde d’erbium lorsqu’il découvrit en 1878 des indices de la présence d’un nouvel élément encore inconnu.
Marignac avait consacré des années à perfectionner les techniques de séparation des terres rares et était devenu l’un des principaux experts européens de la chimie des lanthanides. Son approche systématique associait une chimie analytique avancée à une analyse spectroscopique minutieuse.
La clé du succès de Marignac résidait dans son utilisation de techniques spectroscopiques améliorées. Il observa des raies d’absorption jusqu’alors inconnues dans la région du proche infrarouge, qui apparaissaient régulièrement dans certaines fractions de ses échantillons d’erbium séparés.
Grâce à la cristallisation fractionnée systématique de composés de l’erbium, Marignac isola un composant dont les propriétés optiques différaient nettement de celles de tout élément des terres rares connu. Les raies d’absorption caractéristiques à 977 et 1015 nanomètres fournirent la preuve définitive de l’existence d’un nouvel élément.
En nommant sa découverte « ytterbium », Marignac acheva la contribution remarquable de la carrière d’Ytterby au tableau périodique. Cette petite localité suédoise avait alors fourni les noms de l’Yttrium (1794), de l’Erbium (1843), du Terbium (1843) et de l’Ytterbium (1878) - une réalisation unique dans l’histoire de la chimie.
La découverte de l’ytterbium par Marignac suscita d’abord le scepticisme de la communauté scientifique en raison de l’extrême similitude chimique entre les lanthanides voisins. Une confirmation définitive nécessita une vérification indépendante par plusieurs équipes de recherche utilisant différentes techniques analytiques.
En 1907, on découvrit que l’« ytterbium » de Marignac contenait deux éléments distincts. Ce qu’il avait isolé était en réalité un mélange d’ytterbium et de Lutécium (élément 71). Cette découverte entraîna un différend de priorité entre Georges Urbain, en France, et Carl Auer von Welsbach, en Autriche, concernant celui qui avait séparé les deux éléments le premier.
Aujourd’hui, nous reconnaissons la contribution fondamentale de Marignac à la chimie des terres rares, même si son échantillon original d’« ytterbium » contenait plusieurs éléments. Son approche systématique de la séparation et de l’analyse spectroscopique établit des méthodes qui permirent les découvertes ultérieures.
L’élément que Marignac sépara minutieusement à l’aide de techniques du XIXᵉ siècle permet aujourd’hui les mesures les plus précises du temps et de l’espace au monde, illustrant comment les découvertes scientifiques fondamentales peuvent avoir des applications dépassant largement l’imagination de leurs découvreurs.
Les travaux de Marignac sur les éléments des terres rares lui valurent une reconnaissance internationale et contribuèrent à faire de la Suisse un centre de la chimie analytique de précision. Ses techniques influencèrent des générations de chimistes et contribuèrent à notre compréhension moderne de la structure atomique et du tableau périodique.
Applications
L’ytterbium est devenu un élément essentiel pour les technologies de précision de nouvelle génération, la science quantique et la recherche sur les matériaux avancés. Bien qu’il soit l’un des éléments des terres rares les moins abondants, ses propriétés électroniques et optiques uniques le rendent central aux instruments scientifiques de pointe et aux technologies quantiques émergentes.
Les horloges atomiques à base d’ytterbium représentent le summum de la précision de mesure du temps, atteignant des niveaux d’exactitude tels qu’elles perdraient moins d’une seconde sur toute la durée de vie de l’Univers. Ces horloges à réseau optique utilisent des atomes d’ytterbium refroidis par laser et piégés dans des structures cristallines de lumière afin de mesurer le temps avec une précision sans précédent.
L’horloge optique à ytterbium fonctionne à des fréquences plus de 100,000 fois supérieures à celles des horloges atomiques au césium, permettant de détecter les effets de dilatation gravitationnelle du temps sur des différences de hauteur de seulement quelques centimètres. Ces capacités révolutionnent la recherche en physique fondamentale et permettent de nouveaux tests des théories de la relativité d’Einstein.
Des horloges atomiques à ytterbium sont développées pour les systèmes de navigation satellitaire de nouvelle génération, qui fourniront une précision de positionnement de l’ordre du centimètre plutôt que du mètre. Ces garde-temps ultraprécis permettront la navigation des véhicules autonomes, l’agriculture de précision et les mesures scientifiques nécessitant une exactitude extrême de la position.
Les capteurs à fibre optique dopée à l’ytterbium fournissent des mesures ultrasensibles de la déformation et de la température pour surveiller l’état des ponts, des bâtiments, des aéronefs et des engins spatiaux. Ces capteurs peuvent détecter des déformations inférieures à la largeur d’un atome, permettant la maintenance prédictive et la surveillance de la sécurité des infrastructures critiques.
Les lasers à fibre dopée à l’ytterbium offrent des performances exceptionnelles pour le traitement des matériaux, la recherche scientifique et les applications industrielles. Ces systèmes laser efficaces et de forte puissance peuvent découper les métaux les plus épais, souder des matériaux différents avec une précision parfaite et permettre des techniques de fabrication avancées impossibles avec les lasers conventionnels.
Les ions d’ytterbium servent de qubits dans les ordinateurs quantiques à ions piégés grâce à leurs temps de cohérence quantique exceptionnellement longs. Les principales entreprises d’informatique quantique utilisent des systèmes à base d’ytterbium pour le traitement de l’information quantique, la simulation quantique et les applications de mise en réseau quantique.
La structure électronique unique de l’ytterbium le rend précieux pour la spectroscopie avancée, les agents de contraste en imagerie par résonance magnétique et les instruments de mesure de précision. Des laboratoires de recherche du monde entier dépendent de systèmes à base d’ytterbium pour les expériences de physique fondamentale et la caractérisation des matériaux.
Les composés de l’ytterbium servent d’agents de contraste pour des techniques avancées d’imagerie médicale, notamment les examens tomodensitométriques et certaines procédures radiographiques spécialisées. Ces agents fournissent un contraste d’image supérieur tout en réduisant l’exposition des patients aux rayonnements par rapport aux solutions conventionnelles.
Les applications de l’ytterbium ciblent des segments de marché haut de gamme où des performances exceptionnelles justifient des coûts plus élevés. Le seul marché des horloges atomiques représente plus de $500 millions par an, les systèmes à ytterbium atteignant les prix les plus élevés grâce à leurs performances supérieures.
De grandes entreprises technologiques, notamment Google, IBM et IonQ, investissent massivement dans la recherche sur l’informatique quantique à base d’ytterbium. Des organismes gouvernementaux du monde entier financent le développement d’horloges atomiques à ytterbium pour la navigation de nouvelle génération et les applications scientifiques.
La commercialisation des technologies quantiques entraîne une croissance rapide de la demande en ytterbium. Le marché mondial de l’informatique quantique devrait atteindre $65 milliards d’ici 2030, les systèmes à ions piégés à base d’ytterbium représentant un segment important.
Les systèmes à base d’ytterbium établissent régulièrement de nouveaux records de performance dans leurs domaines d’application. Des horloges les plus précises au monde aux lasers à fibre industriels les plus puissants, l’ytterbium permet des capacités révolutionnaires dans de nombreux secteurs technologiques.
D’où il vient
3,2 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 63 % des éléments
L’ytterbium est présent dans la croûte terrestre à raison d’environ 3.2 parties par million, ce qui le rend à peu près aussi abondant que l’étain et nettement plus courant que de nombreux autres éléments lourds des terres rares. Cependant, les gisements d’ytterbium économiquement exploitables restent concentrés géographiquement et techniquement difficiles à traiter.
Chine (85% de la production mondiale) : Les gisements d’argiles à adsorption ionique du sud de la Chine, dans les provinces du Jiangxi, du Guangdong et du Fujian, contiennent les concentrations d’ytterbium les plus importantes au monde. Ces gisements se sont formés par l’altération tropicale d’intrusions granitiques au cours de millions d’années.
Australie : Le gisement de terres rares de Mount Weld contient d’importantes réserves d’ytterbium, bien que le traitement actuel se concentre sur la récupération des terres rares légères. Une expansion future pourrait inclure des installations de séparation des terres rares lourdes.
Malaisie : La Lynas Advanced Materials Plant traite du concentré australien pour produire des oxydes de terres rares séparés, notamment de l’oxyde d’ytterbium de haute pureté destiné aux applications de précision.
La séparation de l’ytterbium nécessite des procédés sophistiqués en plusieurs étapes en raison des effets de la contraction des lanthanides. L’extraction par solvant utilisant des extractants spécialisés à base d’acide phosphonique peut séparer sélectivement l’ytterbium des autres terres rares lourdes, bien qu’une purification complète nécessite des dizaines d’étapes d’extraction.
L’ytterbium d’ultra-haute pureté (99.999%) requis pour les applications d’horloges atomiques nécessite un affinage supplémentaire par fusion de zone, sublimation et techniques spécialisées de croissance cristalline.
Les applications de précision nécessitent de l’ytterbium contenant un minimum d’impuretés, notamment de métaux de transition susceptibles d’interférer avec les propriétés optiques et électroniques. Des techniques analytiques avancées, notamment l’ICP-MS et la spectroscopie optique, garantissent que les spécifications des produits répondent aux exigences strictes des applications.
La valeur élevée des applications de l’ytterbium rend son recyclage économiquement intéressant. Des procédés spécialisés peuvent récupérer de l’ytterbium d’ultra-haute pureté à partir d’instruments scientifiques, de systèmes laser et de matériel informatique quantique en fin de vie.
Les nodules polymétalliques des grands fonds marins contiennent des concentrations importantes d’ytterbium et pourraient diversifier l’approvisionnement à l’avenir. Les recherches sur l’extraction à partir de l’eau de mer se poursuivent, bien que la technologie actuelle rende les sources marines non rentables.
Compte tenu de l’importance de l’ytterbium pour les technologies quantiques et les systèmes de mesure précise du temps, la diversification de la chaîne d’approvisionnement est devenue une priorité stratégique pour les pays dépendants des technologies. Les investissements dans des capacités de traitement alternatives en dehors de la Chine augmentent.
Manipulation
L’ytterbium et ses composés présentent des risques de toxicité minimes dans des conditions normales de laboratoire. Les procédures de sécurité standard sont suffisantes pour la plupart des applications, avec une attention particulière à la sécurité laser et aux exigences de manipulation des substances d’ultra-haute pureté.
Contrôle de la contamination : L’ytterbium d’ultra-haute pureté destiné aux applications d’horloges atomiques nécessite des procédures de manipulation en salle propre. Même une contamination à l’état de traces peut compromettre les performances des systèmes de mesure précise du temps.
Sécurité laser : Les lasers à fibre dopée à l’ytterbium peuvent générer des puissances optiques extrêmement élevées nécessitant des protocoles de sécurité laser de classe 4, notamment des zones à accès contrôlé, des systèmes d’alerte et une formation spécialisée.
Les applications d’horloges atomiques et d’informatique quantique nécessitent des procédures de manipulation spécialisées afin de maintenir des niveaux de contamination ultrafaibles. Le travail doit être effectué dans des atmosphères contrôlées avec des matériaux ultrapurs et des outils spécialisés.
Conserver les composés de l’ytterbium dans des récipients sous atmosphère inerte afin d’éviter l’oxydation et la contamination. Les matériaux d’ultra-haute pureté nécessitent des systèmes de stockage spécialisés à température, humidité et composition atmosphérique contrôlées.
Compte tenu de la valeur élevée de l’ytterbium et de ses applications spécialisées, tous les déchets doivent être collectés en vue de leur recyclage. Les composants d’instruments de précision peuvent contenir des quantités récupérables d’ytterbium d’ultra-haute pureté dont la récupération présente une valeur importante.
Limite d’exposition professionnelle : 5 mg/m³ comme moyenne pondérée dans le temps sur 8 heures pour les composés de l’ytterbium. Une analyse régulière de la pureté est requise pour les applications de précision afin de garantir le maintien des spécifications des produits.
Les applications de précision de l’ytterbium nécessitent des conditions environnementales contrôlées, notamment une stabilité de la température (±0.1°C), de faibles vibrations et un blindage électromagnétique afin d’éviter la dégradation des performances.
Réponses rapides
Ytterbium (symbole Yb) est l’élément 70 du tableau périodique, un lanthanide de la période 6. Une terre rare douce dont la résistance électrique augmente sous pression, ce qui en fait une jauge de contrainte. À température ambiante, c’est un solide.
[Xe] 4f¹⁴ 6s² ; elle comporte 6 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 32, 8, 2.Ytterbium fond à 1092 K (818.9 °C) et bout à 1469 K (1195.9 °C).
La masse atomique standard de Ytterbium est de 173.045 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Ytterbium a une masse volumique de 6.9 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Ytterbium est donc environ 6.9× plus lourd.
Ytterbium a une électronégativité de Pauling de 1.1. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Une valeur aussi faible signifie qu’il cède facilement ses électrons externes, formant des ions positifs.
Ytterbium a été découvert en 1878 par Jean Charles Galissard de Marignac. Il porte le nom de ytterby, Suède.
Ytterbium constitue environ 3.2 mg/kg de la croûte terrestre — peu courant, mais pas rare.