Iterbio

El iterbio es un elemento químico de símbolo Yb y número atómico 70. Es el decimocuarto y penúltimo elemento de la serie de los lantánidos, que es la base de la estabilidad relativa de su estado de oxidación +2. Sin embargo, al igual que los otros lantánidos, su estado de oxidación más común es +3, como en su óxido, haluros y otros compuestos. En solución acuosa, como los compuestos de otros lantánidos tardíos, los compuestos de iterbio solubles forman complejos con nueve moléculas de agua. Debido a su configuración electrónica de capa cerrada, su densidad y puntos de fusión y ebullición difieren significativamente de los de la mayoría de los otros lantánidos.

En 1878, el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac separó de la tierra rara "erbia" otro componente independiente, al que llamó "ytterbia", por Ytterby, el pueblo de Suecia cerca de donde encontró el nuevo componente de erbio. Sospechó que iterbia era un compuesto de un nuevo elemento que llamó "iterbio" (en total, cuatro elementos recibieron el nombre de la aldea, los otros eran itrio, terbio y erbio). En 1907, la nueva tierra "lutecia" se separó de ytterbia, de la cual Georges Urbain, Carl Auer von Welsbach y Charles James extrajeron el elemento "lutecium" (ahora lutecio). Después de alguna discusión, se retuvo el nombre de Marignac "ytterbium". No se obtuvo una muestra relativamente pura del metal hasta 1953. En la actualidad,

El iterbio natural es una mezcla de siete isótopos estables, que en conjunto están presentes en concentraciones de 0,3 partes por millón. Este elemento se extrae en China, Estados Unidos, Brasil e India en forma de minerales monacita, euxenita y xenotima. La concentración de iterbio es baja porque se encuentra solo entre muchos otros elementos de tierras raras; además, es uno de los menos abundantes. Una vez extraído y preparado, el iterbio es algo peligroso como irritante para los ojos y la piel. El metal es un peligro de incendio y explosión.

Características

Propiedades físicas

El iterbio es un elemento químico suave, maleable y dúctil que muestra un brillo plateado brillante cuando está puro. Es un elemento de tierras raras y se disuelve fácilmente con los ácidos minerales fuertes. Reacciona lentamente con agua fría y se oxida lentamente en el aire.

El iterbio tiene tres alótropos etiquetados con las letras griegas alfa, beta y gamma; sus temperaturas de transformación son −13 °C y 795 °C, aunque la temperatura de transformación exacta depende de la presión y el estrés. El alótropo beta (6,966 g/cm) existe a temperatura ambiente y tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras. El alótropo gamma de alta temperatura (6,57 g/cm) tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo. El alótropo alfa (6,903 g/cm) tiene una estructura cristalina hexagonal y es estable a bajas temperaturas.El alótropo beta tiene una conductividad eléctrica metálica a presión atmosférica normal, pero se convierte en semiconductor cuando se expone a una presión de unas 16.000 atmósferas (1,6 GPa). Su resistividad eléctrica aumenta diez veces con la compresión a 39 000 atmósferas (3,9 GPa), pero luego cae a aproximadamente el 10 % de su resistividad a temperatura ambiente a aproximadamente 40 000 atm (4,0 GPa).

A diferencia de otros metales de tierras raras, que suelen tener propiedades antiferromagnéticas y/o ferromagnéticas a bajas temperaturas, el iterbio es paramagnético a temperaturas superiores a 1,0 kelvin. Sin embargo, el alótropo alfa es diamagnético. Con un punto de fusión de 824 °C y un punto de ebullición de 1196 °C, el iterbio tiene el rango líquido más pequeño de todos los metales.

A diferencia de la mayoría de los otros lantánidos, que tienen una red hexagonal compacta, el iterbio cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras. El iterbio tiene una densidad de 6,973 g/cm, que es significativamente menor que la de los lantánidos vecinos, el tulio (9,32 g/cm) y el lutecio (9,841 g/cm). Sus puntos de fusión y ebullición también son significativamente más bajos que los del tulio y el lutecio. Esto se debe a la configuración electrónica de capa cerrada del iterbio ([Xe] 4f 6s), que hace que solo los dos electrones 6s estén disponibles para el enlace metálico (en contraste con los otros lantánidos donde hay tres electrones disponibles) y aumenta la capacidad metálica del iterbio. radio.

Propiedades químicas

El iterbio metálico se deslustra lentamente en el aire, adquiriendo un tono dorado o marrón. El iterbio finamente disperso se oxida fácilmente en el aire y bajo oxígeno. Las mezclas de iterbio en polvo con politetrafluoroetileno o hexacloroetano arden con una llama luminosa de color verde esmeralda. El iterbio reacciona con el hidrógeno para formar varios hidruros no estequiométricos. El iterbio se disuelve lentamente en agua, pero rápidamente en ácidos, liberando hidrógeno gaseoso.

El iterbio es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría y bastante rápido con agua caliente para formar hidróxido de iterbio (III):2 Yb (s) + 6 H ₂ O (l) → 2 Yb (OH) ₃ (aq) + 3 H ₂ (g)

El iterbio reacciona con todos los halógenos:2 Yb (s) + 3 F ₂ (g) → 2 YbF ₃ (s) [blanco]2 Yb (s) + 3 Cl ₂ (g) → 2 YbCl ₃ (s) [blanco]2 Yb (s) + 3 Br ₂ (g) → 2 YbBr ₃ (s) [blanco]2 Yb (s) + 3 I ₂ (g) → 2 YbI ₃ (s) [blanco]

El ion iterbio(III) absorbe luz en el rango de longitudes de onda del infrarrojo cercano, pero no en la luz visible, por lo que la iterbia, Yb ₂ O ₃, es de color blanco y las sales de iterbio también son incoloras. El iterbio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen los iones incoloros Yb(III), que existen como complejos no hidratados:2 Yb (s) + 3 H ₂ SO ₄ (ac) + 18 H₂O (l) → 2 [Yb(H ₂ O) ₉ ] (aq) + 3 SO₄(ac) + 3 H ₂ (g)

Yb(II) frente a Yb(III)

Aunque normalmente es trivalente, el iterbio forma fácilmente compuestos divalentes. Este comportamiento es inusual para los lantánidos, que casi exclusivamente forman compuestos con un estado de oxidación de +3. El estado +2 tiene una configuración electrónica de valencia de 4 f porque la capa f completamente llena da más estabilidad. El ion de iterbio (II) de color amarillo verdoso es un agente reductor muy fuerte y descompone el agua, liberando hidrógeno gaseoso y, por lo tanto, solo se produce el ion de iterbio (III) incoloro en solución acuosa. El samario y el tulio también se comportan de esta manera en el estado +2, pero el europio (II) es estable en solución acuosa. El iterbio metálico se comporta de manera similar al europio metálico y los metales alcalinotérreos, disolviéndose en amoníaco para formar sales de electruro azul.

Isótopos

El iterbio natural se compone de siete isótopos estables: Yb, Yb, Yb, Yb, Yb, Yb e Yb, siendo Yb el más común, con un 31,8 % de la abundancia natural). Se han observado 27 radioisótopos, siendo los más estables Yb con una vida media de 32,0 días, Yb con una vida media de 4,18 días e Yb con una vida media de 56,7 horas. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a dos horas, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 20 minutos. El iterbio también tiene 12 metaestados, siendo el más estable Yb (t _1/2 46 segundos).

Los isótopos de iterbio varían en peso atómico desde 147,9674 unidades de masa atómica (u) para Yb hasta 180,9562 u para Yb. El principal modo de decaimiento de los isótopos de iterbio más ligeros que el isótopo estable más abundante, Yb, es la captura de electrones, y el principal modo de decaimiento de los más pesados ​​que Yb es el decaimiento beta. Los principales productos de descomposición de los isótopos de iterbio más ligeros que Yb son los isótopos de tulio, y los principales productos de descomposición de los isótopos de iterbio más pesados ​​que Yb son los isótopos de lutecio.

Ocurrencia

El iterbio se encuentra con otros elementos de tierras raras en varios minerales raros. Con mayor frecuencia se recupera comercialmente de arena de monacita (0,03% de iterbio). El elemento también se encuentra en euxenite y xenotime. Las principales áreas mineras son China, Estados Unidos, Brasil, India, Sri Lanka y Australia. Las reservas de iterbio se estiman en un millón de toneladas. Normalmente, el iterbio es difícil de separar de otras tierras raras, pero las técnicas de intercambio iónico y de extracción con disolventes desarrolladas a mediados y finales del siglo XX han simplificado la separación. Los compuestos de iterbio son raros y aún no se han caracterizado bien. La abundancia de iterbio en la corteza terrestre es de unos 3 mg/kg.

Como un lantánido de número par, de acuerdo con la regla de Oddo-Harkins, el iterbio es significativamente más abundante que sus vecinos inmediatos, el tulio y el lutecio, que se encuentran en el mismo concentrado en niveles de alrededor del 0,5 % cada uno. La producción mundial de iterbio es de solo unas 50 toneladas al año, lo que refleja que tiene pocas aplicaciones comerciales. Las trazas microscópicas de iterbio se utilizan como dopante en el láser Yb:YAG, un láser de estado sólido en el que el iterbio es el elemento que experimenta la emisión estimulada de radiación electromagnética.

El iterbio es a menudo el sustituto más común de los minerales de itrio. En muy pocos casos/ocurrencias conocidas, el iterbio prevalece sobre el itrio, como, por ejemplo, en xenotima-(Yb). Se conoce un informe de iterbio nativo del regolito de la Luna.

Producción

Es relativamente difícil separar el iterbio de otros lantánidos debido a sus propiedades similares. Como resultado, el proceso es algo largo. Primero, los minerales como la monacita o la xenotima se disuelven en varios ácidos, como el ácido sulfúrico. Luego, el iterbio se puede separar de otros lantánidos mediante intercambio iónico, al igual que otros lantánidos. Luego, la solución se aplica a una resina, a la que se unen diferentes lantánidos en diferentes materias. Luego, este se disuelve utilizando agentes complejantes y, debido a los diferentes tipos de enlaces que presentan los diferentes lantánidos, es posible aislar los compuestos.

El iterbio se separa de otras tierras raras por intercambio iónico o por reducción con amalgama de sodio. En el último método, una solución ácida tamponada de tierras raras trivalentes se trata con una aleación de sodio-mercurio fundido, que reduce y disuelve Yb. La aleación se trata con ácido clorhídrico. El metal se extrae de la solución como oxalato y se convierte en óxido por calentamiento. El óxido se reduce a metal calentándolo con lantano, aluminio, cerio o circonio en alto vacío. El metal se purifica por sublimación y se recoge sobre una placa condensada.

Compuestos

El comportamiento químico del iterbio es similar al del resto de los lantánidos. La mayoría de los compuestos de iterbio se encuentran en el estado de oxidación +3, y sus sales en este estado de oxidación son casi incoloras. Al igual que el europio, el samario y el tulio, los trihaluros de iterbio se pueden reducir a dihaluros mediante hidrógeno, polvo de zinc o la adición de iterbio metálico. El estado de oxidación +2 ocurre solo en compuestos sólidos y reacciona de alguna manera de manera similar a los compuestos de metales alcalinotérreos; por ejemplo, el óxido de iterbio (II) (YbO) muestra la misma estructura que el óxido de calcio (CaO).

Haluros

El iterbio forma tanto dihaluros como trihaluros con los halógenos flúor, cloro, bromo y yodo. Los dihaluros son susceptibles de oxidación a los trihaluros a temperatura ambiente y desproporcionados a los trihaluros e iterbio metálico a alta temperatura:3 YbX ₂ → 2 YbX ₃ + Yb (X = F, Cl, Br, I)

Algunos haluros de iterbio se utilizan como reactivos en síntesis orgánica. Por ejemplo, el cloruro de iterbio (III) (YbCl ₃) es un ácido de Lewis y se puede utilizar como catalizador en las reacciones Aldol y Diels-Alder. Puede usarse yoduro de iterbio (II) (YbI ₂), como yoduro de samario (II), como agente reductor para reacciones de acoplamiento. El fluoruro de iterbio (III) (YbF ₃) se utiliza como relleno dental inerte y no tóxico, ya que libera continuamente iones de fluoruro, que son buenos para la salud dental, y también es un buen agente de contraste de rayos X.

Óxidos

El iterbio reacciona con el oxígeno para formar óxido de iterbio (III) (Yb ₂ O ₃), que cristaliza en la estructura de "sesquióxido de tipo C de tierras raras" que está relacionada con la estructura de fluorita con una cuarta parte de los aniones eliminados, lo que lleva a iterbio átomos en dos entornos diferentes de seis coordenadas (no octaédricos). El óxido de iterbio (III) se puede reducir a óxido de iterbio (II) (YbO) con iterbio elemental, que cristaliza en la misma estructura que el cloruro de sodio.

Boruros

El dodecabouro de iterbio (YbB ₁₂) es un material cristalino que se ha estudiado para comprender varias propiedades electrónicas y estructurales de muchas sustancias químicamente relacionadas. Es un aislador Kondo. Es un material cuántico; en condiciones normales, el interior del cristal a granel es un aislante, mientras que la superficie es altamente conductora. Entre los elementos de tierras raras, el iterbio es uno de los pocos que pueden formar un dodecabouro estable, una propiedad atribuida a su radio atómico comparativamente pequeño.

Historia

El iterbio fue descubierto por el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac en el año 1878. Mientras examinaba muestras de gadolinita, Marignac encontró un nuevo componente en la tierra entonces conocido como erbia, y lo llamó iterbia, por Ytterby, el pueblo sueco cerca de donde encontró el nuevo componente de erbio. Marignac sospechó que iterbia era un compuesto de un nuevo elemento que llamó "iterbio".

En 1907, el químico francés Georges Urbain separó la iterbia de Marignac en dos componentes: neoytterbia y lutecia. Neoytterbia más tarde se conoció como el elemento iterbio, y lutecia se conoció como el elemento lutecio. El químico austriaco Carl Auer von Welsbach aisló de forma independiente estos elementos del iterbio aproximadamente al mismo tiempo, pero los llamó aldebaranium y cassiopeium; el químico estadounidense Charles James también aisló de forma independiente estos elementos aproximadamente al mismo tiempo. Urbain y Welsbach se acusaron mutuamente de publicar resultados basados ​​en la otra parte.La Comisión de Masa Atómica, compuesta por Frank Wigglesworth Clarke, Wilhelm Ostwald y Georges Urbain, que entonces era responsable de la atribución de nuevos nombres de elementos, resolvió la disputa en 1909 al otorgar prioridad a Urbain y adoptar sus nombres como nombres oficiales, basados ​​en en el hecho de que la separación del lutecio del iterbio de Marignac fue descrita por primera vez por Urbain. Después de que se reconocieron los nombres de Urbain, el neoytterbium se revirtió a iterbium.

Las propiedades químicas y físicas del iterbio no pudieron determinarse con precisión hasta 1953, cuando se produjo el primer iterbio metálico casi puro mediante procesos de intercambio iónico. El precio del iterbio se mantuvo relativamente estable entre 1953 y 1998 en alrededor de US$1.000/kg.

Aplicaciones

Fuente de rayos gamma

El isótopo Yb (con una vida media de 32 días), que se crea junto con el isótopo Yb de vida corta (vida media 4,2 días) por activación de neutrones durante la irradiación de iterbio en reactores nucleares, se ha utilizado como radiación fuente en máquinas portátiles de rayos X. Al igual que los rayos X, los rayos gamma emitidos por la fuente atraviesan los tejidos blandos del cuerpo, pero los huesos y otros materiales densos los bloquean. Por lo tanto, las muestras pequeñas de Yb (que emiten rayos gamma) actúan como pequeñas máquinas de rayos X útiles para la radiografía de objetos pequeños. Los experimentos muestran que las radiografías tomadas con una fuente de Yb son aproximadamente equivalentes a las tomadas con rayos X que tienen energías entre 250 y 350 keV. Yb también se usa en medicina nuclear.

Relojes atómicos de alta estabilidad

Los relojes de iterbio tienen el récord de estabilidad con tics estables en menos de dos partes en 1 quintillón (2 × 10). Los relojes desarrollados en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) se basan en alrededor de 10 000 átomos de tierras raras enfriados a 10 microkelvin (10 millonésimas de grado por encima del cero absoluto) y atrapados en una red óptica, una serie de pozos en forma de panqueque. hecho de luz láser. Otro láser que "marca" 518 billones de veces por segundo provoca una transición entre dos niveles de energía en los átomos. La gran cantidad de átomos es clave para la alta estabilidad de los relojes.

Las ondas de luz visible oscilan más rápido que las microondas y, por lo tanto, los relojes ópticos pueden ser más precisos que los relojes atómicos de cesio. El Physikalisch-Technische Bundesanstalt está trabajando en varios de estos relojes ópticos. El modelo con un solo ion de iterbio atrapado en una trampa de iones es muy preciso. El reloj óptico basado en él es exacto a 17 dígitos después del punto decimal. Un par de relojes atómicos experimentales basados ​​en átomos de iterbio en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ha establecido un récord de estabilidad. Los físicos del NIST informaron en la edición del 22 de agosto de 2013 de Science Express que los tictacs de los relojes de iterbio son estables en menos de dos partes en 1 quintillón (1 seguido de 18 ceros), aproximadamente 10 veces mejor que los mejores resultados publicados anteriormente para otros relojes atómicos. Los relojes tendrían una precisión de un segundo durante un período comparable a la edad del universo.

Dopaje de acero inoxidable

El iterbio también se puede utilizar como dopante para ayudar a mejorar el refinamiento del grano, la resistencia y otras propiedades mecánicas del acero inoxidable. Algunas aleaciones de iterbio rara vez se han utilizado en odontología.

Iterbio como dopante de medios activos

El ion Yb se utiliza como material dopante en medios láser activos, específicamente en láseres de estado sólido y láseres de fibra de doble revestimiento. Los láseres de iterbio son muy eficientes, tienen una larga vida útil y pueden generar pulsos cortos; el iterbio también se puede incorporar fácilmente al material utilizado para fabricar el láser. Los láseres de iterbio suelen radiar en la banda de 1,06 a 1,12 µm y se bombean ópticamente a una longitud de onda de 900 nm a 1 µm, según el host y la aplicación. El pequeño defecto cuántico hace que el iterbio sea un posible dopante para láseres eficientes y escalado de energía.

La cinética de excitaciones en materiales dopados con iterbio es simple y puede describirse dentro del concepto de secciones efectivas; para la mayoría de los materiales láser dopados con iterbio (como para muchos otros medios de ganancia bombeados ópticamente), se mantiene la relación de McCumber, aunque se estaba discutiendo la aplicación a los materiales compuestos dopados con iterbio.

Por lo general, se utilizan bajas concentraciones de iterbio. En altas concentraciones, los materiales dopados con iterbio muestran fotooscurecimiento (fibras de vidrio) o incluso un cambio a emisión de banda ancha (cristales y cerámicas) en lugar de una acción láser eficiente. Este efecto puede estar relacionado no solo con el sobrecalentamiento, sino también con las condiciones de compensación de carga a altas concentraciones de iones de iterbio.

Se ha avanzado mucho en los láseres y amplificadores de escala de potencia producidos con fibras ópticas dopadas con iterbio (Yb). Los niveles de potencia han aumentado desde los regímenes de 1 kW debido a los avances en los componentes, así como en las fibras dopadas con Yb. La fabricación de fibras de área modal grande y NA baja permite lograr calidades de haz casi perfectas (M2<1,1) a niveles de potencia de 1,5 kW a más de 2 kW a ~1064 nm en una configuración de banda ancha. Las fibras LMA dopadas con iterbio también tienen las ventajas de un diámetro de campo modal más grande, que niega los impactos de los efectos no lineales, como la dispersión Brillouin estimulada y la dispersión Raman estimulada, que limitan el logro de niveles de potencia más altos y brindan una clara ventaja sobre el modo único. Fibras dopadas con iterbio.

Para lograr niveles de potencia aún más altos en sistemas de fibra basados ​​en iterbio. todos los factores de la fibra deben ser considerados. Estos pueden lograrse solo mediante la optimización de todos los parámetros de la fibra de iterbio, que van desde las pérdidas de fondo del núcleo hasta las propiedades geométricas, para reducir las pérdidas por empalme dentro de la cavidad. El escalado de potencia también requiere la optimización de las fibras pasivas coincidentes dentro de la cavidad óptica. La optimización del propio vidrio dopado con iterbio a través de la modificación del vidrio anfitrión de varios dopantes también juega un papel importante en la reducción de la pérdida de fondo del vidrio, las mejoras en la eficiencia de la pendiente de la fibra y el rendimiento mejorado del fotooscurecimiento, todo lo cual contribuye a una mayor potencia. niveles en sistemas de 1 µm.

Ion Qubits para computación cuántica

El ion cargado Yb se utiliza en qubits de iones atrapados en la computación cuántica. Las puertas entrelazadas, como la puerta de Mølmer-Sørensen, se han logrado al abordar los iones con láseres de pulso de modo bloqueado.

Otros

El iterbio metálico aumenta su resistividad eléctrica cuando se somete a grandes tensiones. Esta propiedad se utiliza en medidores de tensión para monitorear las deformaciones del suelo por terremotos y explosiones.

Actualmente, el iterbio se está investigando como un posible reemplazo del magnesio en cargas útiles pirotécnicas de alta densidad para bengalas señuelo infrarrojo cinemático. Dado que el óxido de iterbio (III) tiene una emisividad significativamente mayor en el rango infrarrojo que el óxido de magnesio, se obtiene una mayor intensidad radiante con las cargas útiles basadas en iterbio en comparación con las que comúnmente se basan en magnesio/teflón/vitón (MTV).

Precauciones

Aunque el iterbio es bastante estable químicamente, se almacena en recipientes herméticos y en una atmósfera inerte, como una caja seca llena de nitrógeno, para protegerlo del aire y la humedad. Todos los compuestos de iterbio se tratan como altamente tóxicos, aunque los estudios parecen indicar que el peligro es mínimo. Sin embargo, los compuestos de iterbio causan irritación en la piel y los ojos humanos, y algunos pueden ser teratogénicos. El polvo de iterbio metálico puede arder espontáneamente y los humos resultantes son peligrosos. Los incendios de iterbio no se pueden extinguir con agua, y solo los extintores de incendios de clase D de polvo químico seco pueden extinguir los incendios.