Ytterbium

Historia

Ytterbiumin löysi Geneven yliopistossa työskennellyt sveitsiläinen Jean Charles Galissard de Marignac vuonna 1878. Hän kuumensi epäpuhdasta erbiumnitraattia, kunnes se hajosi ja jäännökset muodostivat veden kanssa kaksi oksidia: erbiumoksidin (erbia) ja ytterbiumoksidin, jota hän kutsui nimellä ytterbia. Myös itävaltalainen mineralogi, paroni Carl Auer von Welsbach valmisti ytterbiumoksidia samoihin aikoihin, ja hän kutsui löytämäänsä ainetta nimellä aldebaranium. Vuonna 1907 ranskalainen kemisti Georges Urbain erotti Galissard de Marignacin ytterbian kahdeksi aineeksi, joita hän kutsui nimillä neo-ytterbium ja lutecium. Nämä alkuaineet nimettiin myöhemmin ytterbiumiksi ja lutetiumiksi.
Metallista ytterbiumia valmistettiin vuonna 1937 kuumentamalla ytterbiumkloridia kaliumin kanssa, mutta siitä ei saatu niin puhdasta, että alkuaineen ominaisuuksia olisi voitu luotettavasti mitata. Puhdasta ytterbiummetallia saatiin vasta 1953.

Fysikaaliset ominaisuudet

Puhdas ytterbium on kiiltävä, hopeanvalkea ja pehmeä metalli. Se on taipuisaa ja sitä voi vetää langaksi. Metallinen ytterbium reagoi hieman veden sekä ilman kanssa huoneenlämpötilassa. Metallin tummuessa ilmassa muodostuu ytterbiumoksidia Yb₂O₃. Metallista ytterbiumia taas voidaan valmistaa pelkistämällä oksidia Yb₂O₃ lantaanilla.
Ytterbiumilla on kolme allotrooppista muotoa. Ytterbium esiintyy alle 7 °C lämpötilassa α-muodossa, jonka kiderakenne on tiheästi pakattu kuutiollinen ja jonka hilavakiot ovat a=387,99 pm ja c=638,59 pm huoneenlämmössä. Alkuaineen β-muoto on pintakeskinen kuutiollinen (a=548,48 pm), ja se on tavanomaisin esiintymismuoto huoneenlämpötilassa. γ-muoto on tilakeskinen kuutiollinen, jolle a=444 pm 763 °C lämpötilassa.
Ytterbiumin kiehumispiste on harvinaisten maametallien alhaisin.
Ytterbium on heikosti paramagneettista, ja sen magneettinen suskeptibiliteetti on pienin kaikista harvinaisista maametalleista. Ytterbiumin suolat ovat myös paramagneettisia.
Allotropialtaan β-muodon ytterbium johtaa sähköä metallien tavoin, mutta kun paine nousee yli 16 000 atm, se muuttuu puolijohteeksi. Ytterbiumin resistiivisyys riippuu voimakkaasti paineesta: se kasvaa 10-kertaiseksi paineen noustessa 39 000 atm arvoon mutta putoaa 80 %:iin NTP-olosuhteiden arvosta, kun paine edelleen kasvaa 40 000 atm:n yli.

Esiintyminen ja tuotanto

Ytterbiumia esiintyy pääosin samoissa mineraaleissa kuin muitakin lantanoideja. Tärkeimmät tuotantoalueet ovat Kiina, Yhdysvallat, Brasilia, Intia, Sri Lanka ja Australia. Ytterbiumpitoisuudet ovat pieniä kaikissa mineraaleissa, esimerkiksi tärkein ytterbiummineraali monatsiitti sisältää ytterbiumia vain 0,1 % ja bastnäsiitti vain 0,0006 %. Lisäksi sitä on myös muun muassa gadoliniitissa, samarskiitissä, eukseniitissa ja ksenotiimissa. Arvioidut maailmanlaajuiset malmivarannot ovat noin miljoona tonnia. Mineraaleista ytterbium erotetaan liuotinuutolla ja ioninvaihdolla.
Ytterbiumia on maankuoressa vain 3 ppm, ja se on 43. yleisin alkuaine. Se on kuitenkin yleisempää kuin hopea. Merivedessä ytterbiumia on 1,5 ppt ja maaperän pinta-aineksissa noin 2 ppm kuivapainosta (vaihteluväli 0,08–6 ppm).
Vuotuinen tuotanto on 50 tonnia, mikä kuvaa aineen vähäistä käyttöä. Luonnon lisäksi sitä esiintyy ydinreaktoreiden käytetyssä polttoaineessa.
Neuvostoliittolainen avaruusluotain Luna 24 löysi ytterbiumia Kuun pinnan regoliitista.

Käyttö

Ytterbiumilla ei ole paljon käyttöä. Sen radioaktiivisia isotooppeja, kuten ¹⁶⁹Yb:tä, on käytetty joissain kannettavissa röntgenlaitteissa säteilylähteenä. Ytterbiumia on joissain erikoisteräksissä vahvistavana aineena. Sen oksideja käytetään synteettisissä korukivissä ja lasereissa. Oksidia Yb₂O₃ on käytetty erikoismetalleissa, keramiikassa ja laseissa sekä valokaarilamppujen elektrodeina. 
Lisäksi ytterbiumia on käytetty douppaamaan loisteaineita, keraamisissa kondensaattoreissa ja joissain muissa elektroniikan komponenteissa sekä katalyyttinä. Ytterbiumia on käytetty joissain paineantureissa, koska sen sähkönjohtavuus riippuu voimakkaasti paineesta.
Ytterbiumilla on yksi spektrin absorptiokaista 985 nanometrin infrapuna-alueella, mistä johtuen sitä on käytetty joissain valosähköisissä kennoissa.
Yb:YAG-laserit ovat tärkeitä 1μm-alueen lasereita, joilla voidaan saavuttaa yli 1 kW:n tehotasoja teollisuuskäytössä.
Ytterbiumia on käytetty joissain erittäin tarkoissa atomikelloissa. Neutraalit ¹⁷¹Yb-atomit värähtelevät 578 nanometrin optisella aallonpituudella niin, että värähtelyyn perustuvan ajanmittauksen epätarkkuus on vain 2,7·10⁻¹⁵ eli femtosekuntien luokkaa.
Ytterbiumin hinta on pysynyt hiukan yli tuhannessa Yhdysvaltain dollarissa kilolta 1970-luvun alkupuolelta vuoteen 1988. Vuonna 2016 puhtaan (99,9 %) ytterbiumin hinta oli noin 10 USD/g.

Biologinen rooli ja käyttöturvallisuus

Ytterbiumilla ei ole minkäänlaista biologista roolia, eikä se ole kovin myrkyllistä. Sen joidenkin suolojen on tosin todettu kiihdyttävän aineenvaihduntaa. Veteen liukenevat suolat ovat lievästi myrkyllisiä nieltyinä, mutta liukenemattomat eivät ollenkaan. Ytterbium ärsyttää ihoa ja silmiä, ja sen epäillään olevan sikiötä vaurioittava aine.
Ytterbium-pöly ja jauhemainen ytterbium ovat räjähdysherkkiä ja voivat olla myrkyllisiä hengitettynä. Yhdiste ytterbiumarsenaatti on myrkyllistä.
Ytterbiumin yhdisteiden kokonaismääriä ihmiskehossa ei tiedetä tarkalleen, mutta ne ovat hyvin pieniä. Kasvien juuret eivät ota ytterbiumia maaperästä ollenkaan, joten se ei pääse rikastumaan ravintoketjussa. Eräiden vihannesten ytterbiumpitoisuuksiksi on mitattu 0,08 ppb kuivapainosta. Jotkut muut organismit, kuten jäkälät, voivat kuitenkin sisältää 900 ppb ytterbiumia. Ihmisen ravinnosta saama määrä on todennäköisesti noin milligramma vuodessa.