Ytterbium

Ytterbium () on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Yb. Aineen eristi sveitsiläinen Jean Charles Galissard de Marignac vuonna 1878. Se sai nimensä ruotsalaisen Ytterbyn kylän mukaan. Ytterbium kuuluu harvinaisiin maametalleihin, tarkemmin lantanoideihin ja jaksollisen järjestelmän 3. sivuryhmään. Se on kiiltävä, hopeanvalkea ja pehmeä metalli.

Harvinaisella ytterbiumilla ei juuri ole kaupallisia käyttötarkoituksia sen korkean hinnan ja vaikean hyödyntämisen takia. Sitä voidaan käyttää teräksen ominaisuuksien parantamiseen ja muissa metalliseoksissa.

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.

Isotoopit 
Luonnossa esiintyvä ytterbium koostuu seitsemästä eri isotoopista: 168Yb, 170Yb, 171Yb, 172Yb, 173Yb, 174Yb, ja 176Yb, joista 174Yb on yleisin noin 32,0 %:n osuudella.

Ytterbiumin luonnossa esiintyvän isotooppiseoksen koostumuksesta on tehty vain kaksi kalibroitua mittausta, ja niiden tulokset eroavat toisistaan. Tämä on vaikeuttanut ytterbiumin suhteellisen atomipainon määräämistä. IUPAC:n atomipainoja määrittävän komission mukaan luonnon ytterbium jakaantuu isotooppeihin seuraavasti:

Ytterbiumilla on 27 tunnettua radioaktiivista isotooppia, joiden massaluvut vaihtelevat välillä 148–181 ja joiden puoliintumisajat vaihtelevat 409 millisekunnista (154Yb) 32,018 päivään (169Yb).

Suurin osa ytterbiumin keveimmistä isotoopeista (massaluku alle 174) hajoaa joko β+-hajoamisella tai elektronisieppauksella, mutta α-hajoamista ja harvemmin myös protoniemissiota esiintyy. Näiden isotooppien yleisimmät hajoamistuotteet ovat tuliumin isotooppeja. Raskaat ytterbiumisotoopit hajoavat yleensä β--hajoamisella, jolloin hajoamistuotteet ovat lutetiumin isotooppeja. Ytterbiumilla on myös 12 ydinisomeeria, joista pitkäikäisin on 169mYb (puoliintumisaika 46 sekuntia).

Kemialliset ominaisuudet 

Ytterbium liukenee laimeisiin happoihin ja reagoi veden kanssa. Vetyfluoridin vesiliuoksiin se kuitenkin on liukenematonta, koska metallin pinnalle muodostuu liukenematon suojaava ytterbiumfluoridin YbF3 kerros. Yhdisteissään ytterbium on hapetusluvulla +II tai tavallisemmin +III.

Ytterbiummetalli on sangen elektropositiivista ja reagoi hitaasti kylmän ja nopeasti kuuman veden kanssa muodostaen ytterbiumhydroksidia Yb(OH)3 ja vetykaasua: 
2 Yb + 6 H2O → 2 Yb(OH)3 + 3 H2

Ytterbium voi muodostaa sekä hapetuslukujen +II että +III yhdisteitä halogeenien kanssa, kuten ytterbium(II)kloridia YbCl2 ja ytterbium(III)kloridia YbCl3:
Yb2+ + 2Cl1- → YbCl2
Yb3+ + 3Cl1- → YbCl3

Ensimmäisenä hapetusluvun +II ytterbiumyhdistettä valmistivat W. K. Klemm ja W. Schuth vuonna 1929. He pelkistivät kloridia YbCl3 +II-arvoiseksi ytterbium(II)kloridiksi YbCl2 vedyllä.

Ytterbium muodostaa +III-arvoisia yhdisteitä kaikkien 4. ensimmäisen halogeenin kanssa. Nämä suolat ovat kaikki valkoisia:
2 Yb (s) + 3 F2 (g) → 2 YbF3 (s) 
2 Yb (s) + 3 Cl2 (g) → 2 YbCl3 (s)
2 Yb (s) + 3 Br2 (g) → 2 YbBr3 (s)
2 Yb (s) + 3 I2 (g) → 2 YbI3 (s)

Myös vastaavat hapetusluvun +II yhdisteet ovat olemassa ja niitä saadaan +III-suoloista tavallisimmin pelkistämällä suoloja metallisella ytterbiumilla itsellään tai alkalimetallilla. Yb2+-ioneja on myös tuotettu elektrolyysillä ja käsittelemällä +III-suoloja natriumamalgaamalla. Ytterbium(II)jodidia YbI2 syntyy myös pelkästään lämmön vaikutuksesta tapahtuvalla hajoamisella. Ytterbium(II)fluoridi YbF2 on väriltään harmaata, YbCl2 vihreää, ytterbium(II)bromidi YbBr2 ja YbI2 keltaista.

YbI2 voidaan valmistaa myös ytterbiummetallin reaktiolla 1,2-dijodietaanin kanssa tetrahydrofuraanissa huoneenlämpötilassa:
Yb + ICH2CH2I → YbI2 + CH2=CH2

Vaaleanvihreät Yb2+-ionit eivät ole pysyviä vesiliuoksissa vaan pelkistävät vedestä vetykaasua. Yb2+-ionit ovat stabiilimpia kuin vastaavat samariumin Sm2+-ionit mutta vähemmän pysyviä kuin europiumin Eu2+-ionit.

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.

Lähteet

Huomautukset

Viitteet

Aiheesta muualla 

Periodictable: Technical data for Ytterbium  

PubChem: Ytterbium 
Webmineral: Mineral Species containing Ytterbium (Yb) 
Mindat: The Mineralogy of Ytterbium 
Dr. Duke's Phytochemical and Ethnobotanical Databases: Ytterbium 

Alkuaineet
Metallit
54 Kemia