What is Иттербий?
Иттербий (symbol Yb) is element 70 on the periodic table, a лантаноид in period 6. A soft rare earth whose electrical resistance jumps under pressure, making it a stress gauge. At room temperature it is a solid.
Строение
Это не схема 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 связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место иттербий занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 176 pm — that is 0.176 nm, so about 2841 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Иттербий is liquid over a 377 K window, from 1092 K to 1469 K.
История
A soft rare earth whose electrical resistance jumps under pressure, making it a stress gauge.
Открыватель: Jean Charles Galissard de Marignac в Женеве, Швейцария (1878)
Назван в честь: Иттербю, Швеция — завершая ряд элементов, названных в честь этого знаменитого карьера
Открытие иттербия завершило удивительную историю карьера Иттербю, который в итоге дал названия четырём различным элементам. Работавший в Женевском университете Jean Charles Galissard de Marignac исследовал образцы оксида эрбия, когда в 1878 году обнаружил признаки ещё одного неизвестного элемента.
Мариньяк годами совершенствовал методы разделения редкоземельных элементов и стал одним из ведущих европейских специалистов по химии лантаноидов. Его систематический подход объединял передовые методы аналитической химии с тщательным спектроскопическим анализом.
Ключом к успеху Мариньяка стало применение усовершенствованных спектроскопических методов. Он наблюдал ранее неизвестные линии поглощения в ближней инфракрасной области, которые постоянно появлялись в определённых фракциях разделённых образцов эрбия.
С помощью 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 открытый элемент «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.
Открытие иттербия Мариньяком первоначально вызвало 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 выяснилось, что «иттербий» Мариньяка содержит два различных элемента. Выделенное им вещество на самом деле было смесью иттербия и лютеция (элемент 71). Это открытие привело к спору о приоритете между Georges Urbain во Франции и Carl Auer von Welsbach в Австрии: кто первым разделил эти два элемента.
Сегодня мы признаём фундаментальный вклад Мариньяка в химию редкоземельных элементов, хотя его исходный образец «иттербия» содержал несколько элементов. Его систематический подход к разделению и спектроскопическому анализу заложил методы, благодаря которым стали возможны последующие открытия.
Элемент, который Мариньяк кропотливо выделял с помощью методов XIX века, сегодня позволяет выполнять самые точные в мире измерения времени и пространства, показывая, что фундаментальные научные открытия могут иметь применения, далеко выходящие за пределы замыслов их первооткрывателей.
Работа Мариньяка над редкоземельными элементами принесла ему международное признание и помогла утвердить Швейцарию как центр прецизионной аналитической химии. Его методы оказали влияние на поколения химиков и способствовали современному пониманию строения атома и периодической таблицы.
Применение
Иттербий стал важнейшим элементом для прецизионных технологий нового 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 обеспечивают высочайшую точность 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. Это позволяет обнаруживать эффекты гравитационного замедления времени при разнице высот всего в несколько сантиметров. Такие возможности меняют подход к исследованиям фундаментальной физики и позволяют проводить новые проверки теорий относительности Эйнштейна.
Атомные часы на основе иттербия разрабатываются для навигационных спутниковых систем нового поколения, которые обеспечат точность позиционирования до сантиметров, а не метров. Эти сверхточные часы позволят управлять навигацией автономных транспортных средств, развивать точное земледелие и выполнять научные измерения, требующие исключительно высокой точности определения положения.
Волоконно-оптические датчики с иттербием обеспечивают сверхчувствительное измерение 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 важнейшей инфраструктуры.
Иттербиевые волоконные лазеры обеспечивают выдающиеся характеристики при обработке материалов, научных исследованиях и промышленных применениях. Эти мощные и эффективные лазерные системы способны разрезать самые толстые металлы, сваривать разнородные материалы с исключительной 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 ценным для передовой спектроскопии, контрастных веществ для магнитно-резонансной томографии и приборов точного измерения. 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 изображений и одновременно снижают радиационную нагрузку на пациента.
Применения иттербия ориентированы 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 стоят дороже остальных 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 нового поколения и научных применений.
Коммерциализация квантовых технологий стимулирует быстрый рост спроса на иттербий. Ожидается, что мировой рынок квантовых вычислений к 2030 году достигнет $65 миллиардов, причём системы с ионными ловушками на основе иттербия составят значительную его часть.
Системы на основе иттербия постоянно устанавливают новые рекорды производительности в своих областях применения. От самых точных в мире часов до самых мощных промышленных волоконных лазеров — иттербий обеспечивает прорывные возможности в самых разных технологических секторах.
Откуда он берётся
3.2 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 63% of elements
Содержание иттербия в земной коре составляет примерно 3,2 части на миллион, поэтому по распространённости он примерно сопоставим с оловом и встречается значительно чаще многих других тяжёлых редкоземельных элементов. Однако экономически выгодные месторождения иттербия географически сосредоточены, а их переработка представляет техническую сложность.
Китай (85% мирового производства): Месторождения ионно-адсорбционных глин на юге Китая, 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: Месторождение редкоземельных элементов Маунт-Уэлд содержит значительные запасы иттербия, хотя в настоящее время переработка ориентирована на извлечение лёгких редкоземельных элементов. В будущем расширение производства может включать установки для разделения тяжёлых редкоземельных элементов.
Малайзия: Завод Lynas Advanced Materials Plant перерабатывает австралийский концентрат для получения разделённых оксидов редкоземельных элементов, включая оксид иттербия высокой чистоты для прецизионных применений.
Разделение иттербия требует сложных многостадийных процессов из-за эффектов лантаноидного сжатия. Экстракция растворителями с использованием специальных фосфоновых кислот позволяет избирательно отделять иттербий от других тяжёлых редкоземельных элементов, хотя для полной очистки требуются десятки стадий экстракции.
Сверхчистый иттербий (99,999%), необходимый для атомных часов, требует дополнительной очистки с помощью зонной плавки, сублимации и специальных 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 продукции строгим требованиям конкретных применений.
Высокая стоимость иттербия делает его 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 в будущем могут обеспечить диверсификацию поставок. Исследования извлечения из морской воды продолжаются, хотя современные технологии делают морские источники экономически невыгодными.
Учитывая значение иттербия для квантовых технологий и систем точного измерения времени, диверсификация цепочек 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 риск токсичности. 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 необходимо обрабатывать в чистых помещениях. Даже следовые загрязнения могут ухудшить характеристики систем точного измерения времени.
Лазерная безопасность: Иттербиевые волоконные лазеры способны создавать чрезвычайно высокую оптическую мощность, поэтому требуют соблюдения протоколов безопасности для лазеров класса 4, включая зоны с контролируемым доступом, 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 специальных инструментов.
Хранить соединения иттербия в контейнерах с инертной атмосферой для предотвращения окисления и загрязнения. Для сверхчистых материалов требуются специальные 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, переработка которого имеет значительную экономическую ценность.
Предельно допустимая концентрация в рабочей зоне: 5 mg/m³ в качестве средневзвешенного по времени значения за 8-часовой рабочий день для соединений иттербия. Для прецизионных применений необходим регулярный анализ чистоты, чтобы гарантировать соответствие продукции установленным характеристикам.
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 (symbol Yb) is element 70 on the periodic table, a лантаноид in period 6. A soft rare earth whose electrical resistance jumps under pressure, making it a stress gauge. At room temperature it is a solid.
[Xe] 4f¹⁴ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 8, 2 electrons respectively.Иттербий melts at 1092 K (818.9 °C) and boils at 1469 K (1195.9 °C).
The standard atomic weight of Иттербий is 173.045 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Иттербий has a density of 6.9 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of иттербий is about 6.9× heavier.
Иттербий has a Pauling electronegativity of 1.1. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.
Иттербий was discovered in 1878 by Jean Charles Galissard de Marignac. It is named after ytterby, Sweden.
Иттербий makes up about 3.2 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.