Iterbij

Iterbij je hemijski element sa simbolom Yb i rednim brojem 70. U periodnom sistemu nalazi se u grupi lantanoida te se stoga ubraja u metale rijetkih zemlji. Poput ostalih lantanoida, on je srebreno-sjajni teški metal. Osobine iterbija ne slijede kontrakciju lantanoida, a zbog svoje elektronske konfiguracije ovaj element ima značajno manju gustoću kao i niže temperature topljenja i ključanja od susjednih elemenata u periodnom sistemu.

Iterbij je otkrio Jean Charles Galissard de Marignac 1878. godine prilikom proučavanja minerala gadolinita. Kasnije, 1907. godine, Georges Urbain, Carl Auer von Welsbach i Charles James, nezavisno jedan od drugog, uspjeli su iz Marignacovog iterbija izdvojiti još jedan element, lutecij. Welbach je za ime novog elementa predlagao aldebaranij, međutim ipak je nakon dugih rasprava i protivno njegovoj volji, zadržano današnje ime iterbij.

U tehničkom pogledu element i njegovi spojevi koriste se u vrlo malehnim količinama, uglavnom zbog vrlo složenog načina njegovog odvajanja od drugih lantanoida, između ostalog koristi se kao dotirajuće sredstvo za lasere na bazi itrij-aluminij granata. Iterbij(III)-hlorid i iterbij(II)-jodid su reagensi koji se koriste u raznim organskim reakcijama sinteze.

 Historija 
Iterbij je 1878. otkrio švicarski hemičar Jean Charles Galissard de Marignac. On je detaljnije proučavao gadolinit, te je pokušao odvojiti erbij koji je nerastvorljiv u vreloj vodi od drugih mineralnih sastojaka putem razlaganja nitrata. Pri tome otkrio je da preostali kristali nisu u potpunosti izgrađeni od crvenkastog erbij-nitrata, već su bili vidljivi i neki bezbojni kristali. Izmjereni apsorpcijski spektar pokazao je da se u tom slučaju moralo raditi o kristalima nekog do tad nepoznatog elementa. Marignac je elementu dao ime iterbium, prema mjestu pronalaska gadolinita u švedskom Ytterbyju, kao i njegovoj sličnosti sa itrijem. Odvajanje oba elementa uslijedilo je nakon drugog eksperimenta dodavanjem hiposulfitne kiseline u rastvor hlorida.

Francuz Georges Urbain, Austrijanac Carl Auer von Welsbach i Amerikanac Charles James su, nezavisno jedan od drugog, objavili 1907. godine da Marignacov iterbij nije čisti element, već predstavlja smjesu dva elementa. Tu smjesu su uspjeli razdvojiti na čiste hemijske elemente iterbij i lutecij. Tom prilikom Carl Auer von Welsbach je novim elementima dao naziv aldebaranij (prema zvijezdi Aldebaran) i kasiopeij, dok je Urbain predložio nazive neoiterbij i lutecij. Godine 1909. međunarodna komisija za atomsku masu, u čijem sastavu su bili Frank Wigglesworth Clarke, Wilhelm Ostwald, Thomas Edward Thorpe i Georges Urbain, odlučila je da se Urbainu prizna otkriće lutecija, te u skladu s tim prihvati njegovo predloženo ime za element. Također je i zadržano staro Marignacovo ime za iterbij.

Elementarni iterbij prvi su dobili 1936. hemičari Wilhelm Klemm i Heinrich Bommer. Oni su metalni iterbij dobili redukcijom iterbij(III)-hlorida pomoću kalija pri temperaturi od 250 °C. Osim toga, odredili su i kristalnu strukturu i magnetske osobine ovog metala.

 Osobine 
 Fizičke 
Kao i drugi lantanoidi, iterbij je također srebrenasto-svijetli, mehki teški metal.  On ima neuobičajeno nisku gustoću od 6,973 g/cm3, što je znatno manje od gustoća susjednih lantanoida poput tulija odnosno lutecija odnosno približno gustoćama neodija ili prazeodija. Slična usporedba vrijedi i za neuobičajeno nisku tačku topljenja od 824 °C i tačku ključanja od 1430 °C (za lutecij: tačka topljenja 1652 °C, a ključanja 3330 °C). Ove vrijednosti su u određenoj protivrječnosti sa uobičajenom kontrakcijom lantanoida a uzrok joj je elektronska konfiguracija iterbija [Xe] 4f14 6s2. Zbog potpuno popunjenje f-ljuske, za metalnu vezu dostupna su samo dva valentna elektrona, pa dolazi do znatno slabijih sila veze i znatno većeg atomskog radijusa metala.

Postoji tri različite kristalne strukture pri atmosferskom pritisku kao i druge tri visokotlačne modifikacije iterbija. Na sobnoj temperaturi, metal se kristalizira u kubičnom gusto složenom kristalnom sistemu sa parametrom rešetke a = 548,1 pm. Pri višim temperaturama i pritiscima ova struktura prelazi u kubično-unutarcentrirani kuglasti sistem, s tim da pri atmosferskom pritisku, temperatura prelaska iznosi  oko 770 °C; dok pri sobnoj temperaturi, pritisak prelaska iznosi 4 GPa. Na niskim temperaturama stabilna je heksagonalna najgušća struktura, pri čemu se strukturalni fazni prijelaz nalazi između 0 i 45 °C, koji jako mnogo zavisi od čistoće, pritiska i naprezanja unutar metala. Ove faze imaju različit magnetizam. Dok je heksagonalna faza dijamagnetična (što je i očekivano zbog potpuno popunjene orbitale), kubična pločno-centrirana struktura iskazuje paramagnetične osobine (vjerovatno zbog malog broja Yb3+ iona u metalu).

Redoslijed visokotlačnih modifikacija ne odgovara nizu koji se najčešće može naći kod drugih lantanoida. Tako naprimjer kod iterbija nisu poznate modifikacije sa dvostrukom heksagonalnom najgušćom strukturom ili strukturom samarija. Pri pritisku od 4 GPa stabilnu kubičnu unutar-centriranu strukturu slijedi heksagonalna najgušća struktura pri 26 GPa. Sljedeći fazni prijelaz nastaje pri povećanju pritiska na 53 GPa a iznad ovog pritiska ponovo nastaje kubična najgušća struktura. Novi fazni prijelaz slijedi na 98 GPa. Pri ovom pritisku pa sve do najmanje 202 GPa, heksagonalna struktura je najstabilnija sa prostornom grupom P 3121 (br. 152), a koja se još zove i hP3 struktura. Povećanjem pritiska slijedi i promjena elektronske strukture elementa, pri čemu elektron iz f-orbitale prelazi u d-orbitalu, a onda elektronska konfiguracija postaje trovalentna kao i kod drugih lantanoida.

 Hemijske 
Iterbij je tipični neplemeniti metal, koji pri višim temperaturama reagira s većinom nemetala. Sa kisikom sporo reagira na suhom zraku pri standardnim uslovima temperature i pritiska, a mnogo brže ako je u zraku prisutna i vlaga. Fino isitnjeni metalni iterbij je, poput drugih neplemenitih metala, vrlo lahko zapaljiv na zraku ili u prisustvu kisika. Smjesa finog praha iterbija i organohalogenih spojeva, kao što su heksahloretan ili politetrafluoroetilen, sagorijeva uz smaragdno-zeleni plamen. Reakcija iterbija i vodik nije potpuna, jer vodik ulazi u oktaedarske šupljine u metalnoj rešeci te gradi nestehiometrijske hidridne faze, pri čemu sastav zavisi od temperature i pritiska vodika.

U vodi iterbij se vrlo sporo rastvara, a mnogo brže u kiselinama istiskujući vodik. U rastvoru, ioni iterbija su većinom trovalentni, bezbojni, u obliku hidrata [Yb(H2O)9]3+. Žuto-zeleni dvovalentni ion iterbija nije stabilan u vodenim rastvorima, oksidira istiskujući vodik sa vremenom poluraspada od oko 2,8 sata, prelazeći u trovalentni ion. Kada se iterbij rastvori u tečnom amonijaku, kao i kod natrija, nastaje plavi rastvor zbog solvatiziranih elektrona.

 Izotopi 
Poznata su ukupna 33 izotopa između 148Yb i 181Yb kao i drugih 12 nuklearnih izomera iterbija. Od njih, samo sedam se nalazi u prirodi sa različitim udjelom i zastupljenošću. Najveći udio u prirodnoj izotopskoj smjesi iterbija ima izotop 174Yb od 31,8%, a slijede ga izotopi 172Yb sa 21,9 %; 173Yb sa 16,12 %; 171Yb sa 14,3 % te 176Yb sa 12,7 %. Izotopi 170Yb i 168Yb sa udjelima od 3,05% odn. 0,13% su znatno rjeđi.

Radioaktivni izotop 169Yb sa vremenom poluraspada od 32 dana, nastaje zajedno sa kratkoživućim 175Yb (vrijeme poluraspada 4,2 dana) putem aktiviranja neutronima prilikom izlaganja iterbija radijaciji u nuklearnim reaktorima. On se može koristiti i kao izvor gama-zračenja, naprimjer u nuklearnoj medicini i radiografiji.

Rasprostranjenost
Na Zemlji, iterbij je vrlo rijedak element, njegov udio u kontinentalnoj Zemljinoj kori iznosi oko 3,2 ppm (0,00032%). Ovaj metal javlja se kao sastavni dio rijetkih minerala, prije svega onih koji sadrže itrij i teže lantanoide poput ksenotima i gadolinita. Tako naprimjer ksenotim iz Malezije sadrži do 6,2% iterbija. Za razliku od njega, ceritne zemlje poput monacita i bastnesita sadrže dosta male količine iterbija. Monacit, u zavisnosti od nalazišta, sadrži od 0,12% do 0,5% iterbija.

Poznato je više vrlo rijetkih minerala u kojim se iterbij nalazi kao najčešći rijetki zemni metal. U takve spadaju ksenotim-(Yb), gdje iterbija ima 32% mjereno po masi, a empirijska formula mu glasi (Yb0,40Y0,27Lu0,12Er0,12Dy0,05Tm0,04Ho0,01)PO4. Osim njega, iterbij je sadržan u keiviitu-(Yb) sa empirijskom formulom (Yb1,43Lu0,23Er0,17Tm0,08Y0,05Dy0,03Ho0,02)2Si2O7. Međutim, ovi minerali su dijelovi jednog niza miješanih kristala, koji su također i drugačijeg prirodnog sastava, gdje je itrij glavni "sastojak".

Najvažniji izvori iterbija su ležišta monacita i ksenotima u Kini i Maleziji (tamo je u vidu pratećeg minerala kasiteritu). Zbog slabe potražnje na svjetskom tržištu za ovim metalom, situacija sa proizvodnjom i zalihama iterbija ne smatra se kritičnom.

 Dobijanje 
mini|100px|lijevo|Iterbij
Zbog teškog razdvajanja lantanoida, dobijanje iterbija je izuzetno komplicirano i dugotrajno. Polazni minerali poput monacita ili ksenotima se najprije rastapaju pomoću kiselina ili baza u rastvor. Odvajanje iterbija od drugih lantanoida moguće je pomoću različitih metoda, pri čemu tehnički najvažniju predstavlja ionsko-izmjenjivačka metoda odvajanja, kao i za druge rijetke lantanoide. U tom procesu rastvor sa rijetkim zemljama se nanosi na pogodnu smolu, na koju se pojedinačni ioni lantanoida različito jako mogu vezati. Zatim se rastvor odvajaju od smole ionskoizmjenjivačkom hromatografijom pomoću sredstava koji s ionima grade komplekse poput EDTA, DTPA i HEDTA, te se zbog različite jačine veza između smole i iona lantanoida mogu odvojiti željeni ioni određenog lantanoida.

Hemijsko odvajanje je moguće putem različitih reakcija iterbij-, lutecij- i tulij-acetata sa amalgamom natrija. Tako iterbij gradi amalgam, dok spojevi lutecija i tulija ne reagiraju.

Dobijanje metalnog iterbija može se izvoditi elektrolizom istopljenih spojeva iterbij(III)-fluorida i iterbij(III)-hlorida, sa alkalnim ili zemnoalkalnim halogenidima do redukcije pri tački topljenja, te tečnim kadmijem ili cinkom kao katodom. Osim ove, iterbij se može dobiti i metalotermičkom redukcijom iterbij(III)-fluorida sa kalcijem ili iterbij(III)-oksida sa lantanom ili cerijem. Ako se ova posljednja reakcija izvodi u vakuumu, iterbij se mora destilirati te se tako može odvojiti od drugih lantanoida.

 Upotreba 
Iterbij i njegovi spojevi komercijalno se koriste u vrlo ograničenom obimu. Kao legirni metal, poboljšava čvrstoću, smanjuje zrna kristala i neke mehaničke osobine nehrđajućeg čelika. U toku su istraživanja o upotrebi legura iterbija u stomatologiji.

Kao i drugi lantanoidi, iterbij se također koristi kao sredstvo za dopiranje itrij-aluminij-granatskih lasera (Yb:YAG laser). Prednosti ovog lasera nad Nd:YAG laserima je u većem mogućem maksimalnom dopiranju, dužem vijeku korištenja na višim energetskim nivoima te širim rasponima apsorpcije. Iterbij je također važno sredstvo za dopiranje fiber-lasera, na zbog sličnih prednosti kao i kod YAG lasera, može se koristiti i za fiber-lasere visokih performansi. Tu se također ubraja i visoka moć dopiranja, širi raspon apsorpcije između 850 i 1070 nm te također širi raspon emisije između 970 i 1200 nm.

Eksperimentalno se istražuje korištenje ovog metala kao alternativa za cezij za pokretanje atomskih satova. U testovima je izmjerena četiri puta veći stepen tačnosti od atomskih satova na bazi cezija. Iterbij se također ispituje kao zamjena za magnezij u kinematičkim IC mamcima za borbene avione. Pri tome iterbij(III)-oksida pokazuje znatno viši stepen emisije u infracrvenom spektru u odnosu na magnezij-oksid te bolju performansu zračenja od uobičajenih sličnih materijala na bazi MTV-a (magnezij-teflon-viton).

 Reference 

Kategorija:Hemijski elementi