镱是什么?
镱(符号Yb)是元素周期表中的第70号元素,属于6周期的镧系元素。 一种柔软的稀土元素,在压力下电阻会跃升,因此可用作应力计。 在室温下为固态。
结构
这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图显示镱在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
半径176 pm——即0.176 nm,因此大约2.84百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
镱在377 K的范围内呈液态,温度从1092 K到1469 K。
背后的故事
一种柔软的稀土元素,在压力下电阻会跃升,因此可用作应力计。
发现者:Jean Charles Galissard de Marignac,瑞士日内瓦(1878年)
命名来源:瑞典Ytterby——完成了这座著名采石场贡献的四种元素名称
镱的发现完成了Ytterby采石场的非凡故事,该地最终为四种不同元素提供了名称。Jean Charles Galissard de Marignac在日内瓦大学工作期间,研究氧化铒样品,并于1878年发现了其中存在另一种未知元素的证据。
Marignac多年来一直改进稀土分离技术,并已成为欧洲领先的镧系元素化学专家之一。他的系统方法将先进分析化学与细致的光谱分析结合起来。
Marignac成功的关键在于采用了改进的光谱学技术。他在近红外区域观察到此前未知的吸收线,这些吸收线持续出现在分离后的氧化铒样品的特定馏分中。
通过对铒化合物进行系统的分步结晶,Marignac分离出一种光学性质明显不同于任何已知稀土元素的成分。977和1015纳米处的特征吸收线为新元素的存在提供了确凿证据。
Marignac将他的发现命名为“ytterbium”,完成了Ytterby采石场对元素周期表的非凡贡献。这个瑞典小地方如今已经为钇(1794年)、铒(1843年)、铽(1843年)和镱(1878年)提供了名称——这是化学史上独一无二的成就。
由于相邻镧系元素之间具有极其相似的化学性质,Marignac对镱的发现最初遭到了科学界的质疑。最终确认需要多个研究组使用不同分析技术进行独立验证。
1907年,人们发现Marignac的“镱”中含有两种不同的元素。他分离出的实际上是镱和镥(元素71)的混合物。这一发现引发了法国的Georges Urbain与奥地利的Carl Auer von Welsbach之间的优先权争议,双方争论谁最先分离出这两种元素。
如今,我们认可Marignac对稀土化学的基础性贡献,尽管他最初的“镱”样品含有多种元素。他系统的分离方法和光谱分析方法为后续发现建立了重要方法基础。
Marignac利用19世纪的技术艰苦分离出的元素,如今使世界能够对时间和空间进行最精确的测量,说明基础科学发现可以产生远远超出发现者想象的应用。
Marignac在稀土元素方面的工作为他赢得了国际认可,并帮助瑞士确立了精密分析化学中心的地位。他的技术影响了几代化学家,并促进了我们对原子结构和元素周期表的现代理解。
用途
镱已成为下一代精密技术、量子科学和先进材料研究的关键元素。尽管镱是丰度较低的稀土元素之一,但其独特的电子和光学性质使其成为尖端科学仪器和新兴量子技术不可或缺的材料。
基于镱的原子钟代表了计时精度的顶峰,其精度足以保证在整个宇宙年龄内的误差小于一秒。这些光晶格钟利用激光冷却的镱原子,并将其囚禁在光形成的晶体结构中,以前所未有的精度测量时间。
镱光学钟的工作频率比铯原子钟高出100,000多倍,因此能够探测仅相差几厘米的高度所产生的引力时间膨胀效应。这些能力正在革新基础物理研究,并推动对爱因斯坦相对论的新检验。
镱原子钟正被用于开发下一代卫星导航系统,将定位精度从米级提升到厘米级。这些超高精度计时器将支持自动驾驶车辆导航、精准农业,以及需要极高位置精度的科学测量。
掺镱光纤传感器能够超灵敏地测量应变和温度,用于桥梁、建筑物、飞机和航天器的结构健康监测。这些传感器可以检测小于原子宽度的形变,从而实现关键基础设施的预测性维护和安全监测。
镱光纤激光器在材料加工、科学研究和工业应用中表现卓越。这些高功率、高效率的激光系统能够切割最厚的金属,以极高精度焊接异种材料,并实现传统激光器无法完成的先进制造技术。
由于具有极长的量子相干时间,镱离子可在囚禁离子量子计算机中充当量子比特。领先的量子计算公司使用基于镱的系统进行量子信息处理、量子模拟和量子网络应用。
镱独特的电子结构使其在先进光谱学、磁共振成像对比剂和精密测量仪器中极具价值。全球研究实验室依靠基于镱的系统开展基础物理实验和材料表征。
镱化合物可作为先进医学成像技术的对比剂,包括CT扫描和专用X射线检查。与传统替代品相比,这些对比剂能够提供更优的图像对比度,同时减少患者受到的辐射暴露。
镱的应用面向高端市场领域,在这些领域,卓越性能足以证明更高成本的合理性。仅原子钟市场每年的规模就超过$500 million,其中基于镱的系统凭借优异性能占据最高价位。
包括Google、IBM和IonQ在内的主要科技公司都在大力投资基于镱的量子计算研究。全球各国政府机构也在资助镱原子钟的开发,用于下一代导航和科学应用。
量子技术的商业化正在推动镱需求快速增长。预计到2030年,全球量子计算市场将达到$65 billion,其中基于镱的离子阱系统占据重要份额。
基于镱的系统持续在各自应用领域创造新的性能纪录。从世界上最精确的时钟到功率最高的工业光纤激光器,镱正在多个技术领域实现突破性能力。
来源
地壳中含量为3.2 mg/kg · 比63%的元素更丰富
镱在地壳中的含量约为3.2ppm,其丰度大致与锡相当,且明显高于许多其他重稀土元素。然而,具有经济开采价值的镱矿床在地理上仍较为集中,且加工技术难度较高。
中国(占全球产量的85%):中国南方江西、广东和福建省的离子吸附型黏土矿床含有世界上最重要的镱资源。这些矿床是在数百万年间花岗岩侵入体经历热带风化形成的。
澳大利亚:Mount Weld稀土矿床含有大量镱储量,但目前的加工重点是回收轻稀土。未来扩建可能包括重稀土分离设施。
马来西亚:Lynas Advanced Materials Plant加工澳大利亚精矿,生产分离后的稀土氧化物,包括用于精密应用的高纯氧化镱。
由于镧系元素收缩效应,镱的分离需要复杂的多级工艺。使用特种膦酸萃取剂进行溶剂萃取,可以将镱与其他重稀土选择性分离,但要实现完全提纯需要数十级萃取。
原子钟应用所需的超高纯镱(99.999%)还需要通过区域熔炼、升华和专用晶体生长技术进行进一步精炼。
精密应用要求镱含有极少杂质,尤其是可能干扰光学和电子性质的过渡金属。包括ICP-MS和光谱学在内的先进分析技术能够确保产品规格满足严格的应用要求。
镱的高价值应用使回收具有经济吸引力。专用工艺可以从报废科学仪器、激光系统和量子计算硬件中回收超高纯镱。
深海多金属结核含有较高浓度的镱,未来可能有助于实现供应多元化。海水提取研究仍在继续,但现有技术使海洋来源暂不具备经济性。
鉴于镱对量子技术和精密计时系统的重要性,供应链多元化已成为技术依赖型国家的战略重点。在中国以外投资建设替代加工能力的力度正在加大。
处理
在正常实验室条件下,镱及其化合物的毒性风险极低。大多数应用采用标准安全规程即可,但应特别注意激光安全和超高纯材料的处理要求。
污染控制:用于原子钟的超高纯镱需要采用洁净室操作规程。即使是痕量污染,也可能损害精密计时系统的性能。
激光安全:镱光纤激光器能够产生极高的光功率,需要遵守4类激光安全规程,包括设置受控进入区域、警示系统和专门培训。
原子钟和量子计算应用需要专门的操作规程,以维持极低的污染水平。操作必须在受控气氛中使用超纯材料和专用工具完成。
将镱化合物储存在惰性气氛容器中,以防止氧化和污染。超高纯材料需要使用具有温度、湿度和气氛组成控制功能的专用储存系统。
鉴于镱价值高且应用专业化,所有废料都应收集并进行回收。精密仪器组件可能含有可回收的超高纯镱,其回收价值可观。
工作场所暴露限值:镱化合物按8小时时间加权平均值计为5 mg/m³。精密应用需要定期进行纯度分析,以确保产品规格得到维持。
精密镱应用需要受控环境条件,包括温度稳定性(±0.1°C)、低振动和电磁屏蔽,以防止性能下降。
快速解答
镱(符号Yb)是元素周期表中的第70号元素,属于6周期的镧系元素。 一种柔软的稀土元素,在压力下电阻会跃升,因此可用作应力计。 在室温下为固态。
[Xe] 4f¹⁴ 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 32, 8, 2。镱在1092 K(818.9 °C)熔化,在1469 K(1195.9 °C)沸腾。
镱的标准原子量为173.045 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。
镱的密度为6.9 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此镱块约重6.9倍。
镱的鲍林电负性为1.1。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 如此低的数值意味着,它很容易失去最外层电子,形成正离子。
镱由Jean Charles Galissard de Marignac于1878年发现。 它以ytterby,瑞典命名。
镱约占地壳的3.2 mg/kg——不常见,但并不稀有。