Yb · Элемент 70 · Лантаноид
Мягкий редкоземельный элемент, электрическое сопротивление которого резко возрастает под давлением, что позволяет использовать его как датчик напряжения.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение иттербий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 176 pm — это 0,176 нм, поэтому около 2,84 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Иттербий находится в жидком состоянии в диапазоне 377 K — от 1092 K до 1469 K.
История
Мягкий редкоземельный элемент, электрическое сопротивление которого резко возрастает под давлением, что позволяет использовать его как датчик напряжения.
Кем открыт: Жан Шарль Галиссар де Мариньяк в Женеве, Швейцария (1878)
Назван в честь: Иттербю, Швеция — завершив ряд элементов, названных в честь этого знаменитого карьера
Открытие иттербия завершило удивительную историю карьера Иттербю, который в конечном итоге дал названия четырём различным элементам. Жан Шарль Галиссар де Мариньяк, работавший в Женевском университете, исследовал образцы оксида эрбия, когда в 1878 году обнаружил признаки ещё одного неизвестного элемента.
Мариньяк много лет совершенствовал методы разделения редкоземельных элементов и стал одним из ведущих европейских специалистов по химии лантаноидов. Его систематический подход сочетал передовую аналитическую химию с тщательным спектроскопическим анализом.
Ключом к успеху Мариньяка стало использование усовершенствованных спектроскопических методов. Он наблюдал ранее неизвестные линии поглощения в ближней инфракрасной области, которые постоянно появлялись в определённых фракциях разделённых образцов эрбия.
Путём систематической дробной кристаллизации соединений эрбия Мариньяк выделил компонент, оптические свойства которого заметно отличались от свойств любого известного редкоземельного элемента. Характерные линии поглощения на длинах волн 977 и 1015 нанометров стали убедительным доказательством существования нового элемента.
Назвав своё открытие «иттербием», Мариньяк завершил выдающийся вклад карьера Иттербю в периодическую таблицу. Теперь этот небольшой шведский населённый пункт дал названия иттрию (1794), эрбию (1843), тербию (1843) и иттербию (1878) — уникальное достижение в истории химии.
Поначалу открытие иттербия Мариньяком встретило скептицизм научного сообщества из-за чрезвычайного химического сходства соседних лантаноидов. Для окончательного подтверждения потребовалась независимая проверка несколькими исследовательскими группами с использованием различных аналитических методов.
В 1907 году было обнаружено, что «иттербий» Мариньяка содержит два различных элемента. Выделенное им вещество на самом деле представляло собой смесь иттербия и лютеция (элемент 71). Это открытие привело к спору о приоритете между Жоржем Урбеном во Франции и Карлом Ауэром фон Вельсбахом в Австрии: каждый утверждал, что первым разделил эти два элемента.
Сегодня мы признаём фундаментальный вклад Мариньяка в химию редкоземельных элементов, хотя его первоначальный образец «иттербия» содержал несколько элементов. Его систематический подход к разделению и спектроскопическому анализу заложил методологическую основу для последующих открытий.
Элемент, который Мариньяк кропотливо отделил с помощью методов XIX века, сегодня позволяет проводить самые точные в мире измерения времени и пространства, демонстрируя, насколько далеко от замыслов первооткрывателей могут простираться применения фундаментальных научных открытий.
Работа Мариньяка над редкоземельными элементами принесла ему международное признание и помогла утвердить Швейцарию как центр прецизионной аналитической химии. Его методы повлияли на поколения химиков и способствовали современному пониманию атомного строения и периодической таблицы.
Применение
Иттербий стал важнейшим элементом для прецизионных технологий следующего поколения, квантовой науки и исследований передовых материалов. Несмотря на то что он относится к менее распространённым редкоземельным элементам, уникальные электронные и оптические свойства иттербия сделали его незаменимым для передовых научных приборов и развивающихся квантовых технологий.
Атомные часы на основе иттербия представляют собой вершину точности измерения времени: их погрешность так мала, что за весь возраст Вселенной они отстали бы менее чем на одну секунду. В этих оптических решёточных часах охлаждённые лазером атомы иттербия удерживаются в кристаллических структурах света, что позволяет измерять время с беспрецедентной точностью.
Оптические часы на основе иттербия работают на частотах, более чем в 100 000 раз превышающих частоты цезиевых атомных часов, что позволяет обнаруживать эффекты гравитационного замедления времени при разнице высот всего в несколько сантиметров. Эти возможности революционизируют исследования фундаментальной физики и позволяют проводить новые проверки теорий относительности Эйнштейна.
Атомные часы на основе иттербия разрабатываются для навигационных спутниковых систем следующего поколения, которые обеспечат точность позиционирования до сантиметров, а не метров. Эти сверхточные хронометры позволят осуществлять навигацию автономных транспортных средств, вести точное сельское хозяйство и проводить научные измерения, требующие исключительно высокой точности определения положения.
Волоконно-оптические датчики с иттербием обеспечивают сверхчувствительные измерения деформаций и температуры для мониторинга состояния мостов, зданий, самолётов и космических аппаратов. Эти датчики способны обнаруживать деформации, меньшие ширины атома, что позволяет проводить профилактическое обслуживание и контролировать безопасность критически важной инфраструктуры.
Волоконные лазеры на основе иттербия обеспечивают исключительные характеристики при обработке материалов, научных исследованиях и промышленных применениях. Эти мощные и эффективные лазерные системы могут резать самые толстые металлы, сваривать разнородные материалы с идеальной точностью и обеспечивать передовые методы производства, невозможные для обычных лазеров.
Ионы иттербия служат кубитами в квантовых компьютерах с ионными ловушками благодаря исключительно длительному времени квантовой когерентности. Ведущие компании в области квантовых вычислений используют системы на основе иттербия для обработки квантовой информации, квантового моделирования и квантовых сетей.
Уникальная электронная структура иттербия делает его незаменимым для передовой спектроскопии, контрастных веществ для магнитно-резонансной томографии и приборов для прецизионных измерений. Научно-исследовательские лаборатории по всему миру используют системы на основе иттербия для экспериментов по фундаментальной физике и определения характеристик материалов.
Соединения иттербия служат контрастными веществами для передовых методов медицинской визуализации, включая компьютерную томографию и специализированные рентгеновские процедуры. По сравнению с обычными альтернативами эти вещества обеспечивают более высокую контрастность изображения при меньшей лучевой нагрузке на пациента.
Применение иттербия ориентировано на премиальные сегменты рынка, где исключительные характеристики оправдывают более высокую стоимость. Только рынок атомных часов ежегодно оценивается более чем в $500 миллионов, причём системы на основе иттербия имеют самые высокие цены благодаря превосходным характеристикам.
Крупные технологические компании, включая Google, IBM и IonQ, активно инвестируют в исследования квантовых вычислений на основе иттербия. Государственные учреждения по всему миру финансируют разработку атомных часов на основе иттербия для навигации следующего поколения и научных применений.
Коммерциализация квантовых технологий стимулирует быстрый рост спроса на иттербий. По прогнозам, мировой рынок квантовых вычислений достигнет $65 миллиардов к 2030 году, причём системы с ионными ловушками на основе иттербия будут занимать значительную его долю.
Системы на основе иттербия постоянно устанавливают новые рекорды производительности в своих областях применения. От самых точных часов в мире до самых мощных промышленных волоконных лазеров — иттербий обеспечивает прорывные возможности в нескольких технологических секторах.
Откуда он происходит
3,2 мг/кг земной коры · более распространён, чем 63% элементов
Иттербий содержится в земной коре в количестве примерно 3,2 части на миллион, поэтому по распространённости он примерно сопоставим с оловом и значительно превосходит многие другие тяжёлые редкоземельные элементы. Однако экономически рентабельные месторождения иттербия остаются географически концентрированными, а их переработка технически сложна.
Китай (85% мирового производства): Ионно-адсорбционные глинистые месторождения на юге Китая, расположенные в провинциях Цзянси, Гуандун и Фуцзянь, содержат наиболее значительные в мире концентрации иттербия. Эти месторождения сформировались в результате тропического выветривания гранитных интрузий на протяжении миллионов лет.
Австралия: Редкоземельное месторождение Маунт-Уэлд содержит значительные запасы иттербия, хотя в настоящее время переработка сосредоточена на извлечении лёгких редкоземельных элементов. В будущем расширение может включать предприятия для разделения тяжёлых редкоземельных элементов.
Малайзия: Предприятие Lynas Advanced Materials перерабатывает австралийский концентрат для производства разделённых оксидов редкоземельных элементов, включая высокочистый оксид иттербия для прецизионных применений.
Разделение иттербия требует сложных многостадийных процессов из-за эффектов лантаноидного сжатия. Экстракция растворителями с использованием специализированных экстрагентов на основе фосфоновых кислот позволяет избирательно отделять иттербий от других тяжёлых редкоземельных элементов, хотя для полной очистки необходимы десятки стадий экстракции.
Сверхчистый иттербий (99.999%), необходимый для атомных часов, требует дополнительной очистки с использованием зонной плавки, сублимации и специализированных методов выращивания кристаллов.
Прецизионные применения требуют иттербия с минимальным содержанием примесей, особенно переходных металлов, которые могут влиять на оптические и электронные свойства. Передовые аналитические методы, включая ICP-MS и оптическую спектроскопию, обеспечивают соответствие характеристик продукта строгим требованиям конкретных применений.
Высокая стоимость применений иттербия делает переработку экономически привлекательной. Специализированные процессы позволяют извлекать сверхчистый иттербий из отслуживших научных приборов, лазерных систем и оборудования для квантовых вычислений.
Глубоководные полиметаллические конкреции содержат значительные концентрации иттербия и потенциально могут обеспечить диверсификацию будущих поставок. Исследования извлечения из морской воды продолжаются, хотя современные технологии делают морские источники нерентабельными.
Учитывая важность иттербия для квантовых технологий и систем прецизионного хронометража, диверсификация цепочки поставок стала стратегическим приоритетом для технологически зависимых стран. Инвестиции в альтернативные мощности по переработке за пределами Китая растут.
Обращение
Иттербий и его соединения при обычных лабораторных условиях представляют минимальный токсикологический риск. Для большинства применений достаточно стандартных процедур безопасности, однако особое внимание следует уделять лазерной безопасности и требованиям к работе со сверхчистыми материалами.
Контроль загрязнения: Сверхчистый иттербий для атомных часов требует соблюдения процедур работы в чистом помещении. Даже следовые загрязнения могут ухудшить характеристики прецизионных систем хронометража.
Лазерная безопасность: Волоконные лазеры на основе иттербия могут создавать чрезвычайно высокую оптическую мощность, поэтому требуют соблюдения протоколов безопасности для лазеров класса 4, включая контролируемые зоны доступа, системы предупреждения и специальное обучение.
Применения в атомных часах и квантовых вычислениях требуют специальных процедур обращения для поддержания сверхнизкого уровня загрязнения. Работы необходимо выполнять в контролируемой атмосфере с использованием сверхчистых материалов и специализированных инструментов.
Хранить соединения иттербия в контейнерах с инертной атмосферой для предотвращения окисления и загрязнения. Для сверхчистых материалов необходимы специализированные системы хранения с контролируемыми температурой, влажностью и составом атмосферы.
Учитывая высокую стоимость иттербия и его специализированные применения, все отходы следует собирать для переработки. Компоненты прецизионных приборов могут содержать извлекаемые количества сверхчистого иттербия, стоимость переработки которого может быть значительной.
Предел воздействия на рабочем месте: 5 mg/m³ в виде средневзвешенной по времени концентрации за 8-часовой рабочий день для соединений иттербия. Для прецизионных применений требуется регулярный анализ чистоты, чтобы гарантировать сохранение характеристик продукта.
Прецизионные применения иттербия требуют контролируемых условий окружающей среды, включая стабильность температуры (±0.1°C), низкий уровень вибрации и электромагнитное экранирование для предотвращения ухудшения характеристик.
Краткие ответы
Иттербий (символ Yb) — элемент 70 в периодической таблице, представитель семейства лантаноид в 6 периоде. Мягкий редкоземельный элемент, электрическое сопротивление которого резко возрастает под давлением, что позволяет использовать его как датчик напряжения. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Xe] 4f¹⁴ 6s²; она включает 6 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 8, 2.Иттербий плавится при 1092 K (818.9 °C) и кипит при 1469 K (1195.9 °C).
Стандартная атомная масса Иттербий составляет 173.045 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Иттербий составляет 6.9 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Иттербий примерно в 6.9× тяжелее.
Электроотрицательность Иттербий по шкале Полинга составляет 1.1. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Такое низкое значение означает, что он легко отдаёт свои внешние электроны, образуя положительные ионы.
Иттербий был открыт в 1878 году Jean Charles Galissard de Marignac. Назван в честь иттербю, Швеция.
На долю Иттербий приходится около 3.2 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.