Üterbium

Üterbium (keemiline sümbol Yb) on keemiline element aatomnumbriga 70.
Keemiliste elementide perioodilisussüsteemis kuulub üterbium lantanoidide hulka (on neljateistkümnes ja eelviimane nende seas) ning on seega üks haruldastest muldmetallidest. Nagu teisedki lantanoidid, on üterbium lihtainena hõbedase läikega raskmetall. Üterbiumi omadused ei järgi lantanoidset kontraktsiooni, ja üterbiumi elektronkonfiguratsiooni tõttu on metallilise üterbiumi tihedus (normaaltingimustel 6,57 g/cm&amp;sup3) tunduvalt väiksem ning sulamis- (824°C) ja keemistemperatuur madalamad kui naaberelementidel.
Üterbiumi tavaline oksüdatsiooniaste on +3 nagu teistelgi lantanoididel, kuid ka oksüdatsiooniaste +2 on suhteliselt stabiilne.
Vesilahuses moodustavad lahustuvad üterbiumiühendid, nagu teistegi hiliste lantanoidide ühendid, komplekse üheksa veemolekuliga.
Üterbiumil on 7 stabiilset isotoopi, massiarvudega 168, 170, 171, 172, 173, 174 ja 176. Looduslik üterbium on nende segu.
Üterbiumi kaevandatakse Hiinas, USAs, Brasiilias ja Indias mineraalide monatsiidi, euksenidi ja ksenotiimi kujul. Üterbiumi leidub ainult koos teiste haruldaste muldmetallidega ja ta on nende seas üks haruldasemaid. 
Metalliline üterbium on mõnevõrra ohtlik silmadele ja ärritab nahka. Ta on tule- ja plahvatusohtlik.
Üterbiumi avastas 1878 Šveitsi keemik Jean Charles Galissard de Marignac Rootsi küla Ytterby lähedalt leitud gadoliniiti uurides. Ta eraldas haruldasest mullast "erbia" iseseisva koostisosa, millele ta pani küla järgi nimetuseks "ytterbine". Ta kahtlustas, et tegu on uue elemendi ühendiga, ja pani selle uue elemendi nimetuseks üterbium (sama küla järgi on saanud nimetuse ütrium, terbium ja erbium). Aastal 1907 eraldasid Georges Urbain, Carl Auer von Welsbach ja Charles James üksteisest sõltumatult Marignaci üterbiumist uue elemendi luteetsiumi (nad eraldasid selle oksiidi Marignaci "ytterbine"ist). Pärast pikka arutelu jäeti üterbiumi nimetus alles, kuigi Welsbach soovis, et elementi, millest luteetsium eraldati, hakataks nimetama aldebaraaniumiks. Suhteliselt puhas metalliline üterbium saadi alles 1953. 
Tehnikas kasutatakse üterbiumi ja selle ühendeid vähesel määral, sest üterbiumi eraldamine teistest lantanoididest on keeruline. Üterbiumi kasutatakse peamiselt roostevaba terase ja ütriumalumiiniumgranaatlaseri aktiivse keskkonna dopandina ning harvem gammakiirguse allikana. Üterbium(III)kloriid ja üterbium(II)jodiid on reagendid mitmesugustes orgaanilise sünteesi reaktsioonides.
Metallilise üterbiumi füüsikalised omadused.
Metalliline üterbium on, nagu teisedki lantanoidid, hõbedase läikega pehme raskmetall. Ta on deformeeruv. Värskelt valmistatuna on ta vähem kuldne kui tseesium.
Olekud ja tihedus.
Üterbiumi tihedus on 6,973 g/cm³, mis on ebatavaliselt väike, tunduvalt väiksem kui naaberlantanoididel tuuliumil (9,32 g/cm³) ja luteetsiumil (9,841 g/cm³) ning võrreldav neodüümi ja praseodüümi tihedusega. Võrreldav lugu on ka suhteliselt madala sulamistemperatuuriga (824 °C) ja keemistemperatuuriga (1196 °C) (võrdluseks: luteetsiumi sulamistemperatuur on 1652 °C ja keemistemperatuur 3330 °C). Need väärtused on vastuolus muidu kehtiva lantanoidse kontraktsiooniga ja neid põhjustab üterbiumi elektronkonfiguratsioon [Xe] 4f14 6s2. Et f-kiht on täielikult täidetud, jääb metalliliste sidemete jaoks ainult kaks 6s-valentselektroni (erinevalt teistest lantanoididest, millel jääb kolm valentselektroni) ning seosejõud on seetõttu väiksemad ja aatomiraadius tunduvalt suurem.
Üterbiumil on kõigi metallide seas kõige väiksem vedela oleku temperatuurivahemik.
Kristallistruktuur.
Üterbiumil on kolm erineva kristallistruktuuria allotroopi normaalrõhu juures, mida tähistatakse tähtedega α, β ja γ. Nende muundumistemperatuurid on −13 °C ja 795 °C, kuigi täpne muundumistemperatuur sõltub rõhust ja pingest. Lisaks on teada kolm kõrgrõhumodifikatsiooni.
Erinevalt enamikust teistest lantanoididest, millel on tihedalt pakitud heksagonaalne võre, kristalliseerub üterbium toatemperatuuril kuubilises süngoonias (pindtsentreeritud kuupvõre) võreparameetriga a = 548,1 pm. See on β-allotroop.
Kõrgematel temperatuuridel läheb see struktuur üle ruumtsentreeritud kuupvõreks, kusjuures normaalrõhu juures on üleminekutemperatuur ligikaudu 770 °C ja toatemperatuuril on üleminekurõhk 4 GPa. See on γ-allotroop (tihedus 6,57 g/cm3). 
Madalatel temperatuuridel on stabiilne kõige tihedamalt pakitud võrega heksagonaalne süngoonia (α-allotroop), kusjuures struktuuriline faasisiire, mis toimub temperatuuril 0 ja 45 °C vahel, sõltub oluliselt puhtusest, rõhust ja pingetest metallis.
Kõrgrõhumodifikatsioonide järjestus erineb teistel lantanoididel sageli 
esinevast järjestusest. Nii pole teada üterbiumi modifikatsioone, millel oleks topeltheksagonaalne kõige tihedamalt pakitud võre või samaariumi struktuur. Alates rõhust 4 GPaF1k4õ9ige stabiilsele ruumtsentreeritud kuupvõrele järgneb rõhu 26 GPa juures heksagonaalne kõige tihedamalt pakitud faas. Järgmine faasisiire toimub, kui rõhk on tõusnud väärtuseni 53 GPa: kui rõhk on sellest kõrgem, moodustub jälle pindtsentreeritud kuupvõre. Uus faasisiire toimub rõhul 98 GPa. Alates sellest rõhust kuni vähemalt rõhuni 202 GPa on Iskõige stabiilsem heksagonaalne võre kristallograafilise rühmaga "P"3121 (nr 162), mida nimetatakse ka "h"P3-struktuuriks. Kui rõhk tõuseb, muutub ka üterbiumiaatomi elektronkatte ehitus, nimelt läheb üks elektron üle f-orbitaalilt d-orbitaalile ning elektronikonfiguratsioon on siis kolmevalentne nagu teistel lantanoididel.
Elektrilised omadused.
β-allotroobil on normaalrõhul metalliline elektrijuhtivus, kuid rõhul umbes 16 000 atmosfääri (1,6 GPa) muutub ta pooljuhiks. Selle eritakistus on rõhul 39 000 atmosfääri (3,9 GPa) kümme korda suurenenud, kuid langeb rõhul umbes 40 000 atm (4,0 GPa) umbes 10 protsendile eritakistusest toatemperatuuril.
Magnetism.
Eri allotroopdel on erinevad magnetilised omadused. 
Erinevalt teistest haruldastest muldmetallidest, millel on madalatel temperatuuridel tavaliselt antiferromagnetilised ja/või ferromagnetilised omadused, on üterbium temperatuuridel üle 1,0 kelvini (β-faasis) paramagnetiline, tõenäoliselt väikese koguse Yb3+-ioonide tõttu. α-allotroop on diamagnetiline, nagu täielikult hõivatud orbitaalide tõttu ongi oodata.
Isotoobid.
On teada kokku 33 üterbiumi isotoopi, millest kergeim on 148Yb ja raskeim 181Yb, ning veel 12 tuumaisomeeri. Neist ainult seitse esinevad mingi sagedusega looduses. Looduses on suurim osatähtsus (31,8%) isotoobil 174Yb, järgnevad 172Yb (21,9%), 173Yb (16,12%), 171Yb (14,3%) ja 176Yb (12,7%). Isotoobid 170Yb ja 168Yb (osatähtsus vastavalt 3,05 ja 0,13%) on tunduvalt haruldasemad.
Radioaktiivne isotoop 169Yb poolestusajaga 32 ööpäeva tekib koos lühiealise isotoobiga 175Yb (poolestusaeg 4,2 ööpäeva) neutronaktivatsiooni toimel üterbiumi kiiritamisel tuumareaktoris. Teda saab kasutada gammakiirguse allikana näiteks nukleaarmeditsiinis ja radiograafias.
Keemilised omadused.
Üterbium on tüüpiline mitteväärismetall, mis eelkõige kõrgematel temperatuuridel reageerib enamiku mittemetallidega.
Oksüdeerumine.
Dihapnikuga reageerib ta normaaltingimustel kuivas õhus aeglaselt, niiskuse juuresolekul kiiremini. Metalliline üterbium tuhmub õhu käes aegamööda, omandades kuldse või pruuni tooni. Pulbriline metalliline üterbium on, nagu teisedki mitteväärismetallid, õhus ja dihapnikus kergsüttiv. Pulbrilise üterbiumi ja orgaaniliste halogeeniühendite, nagu heksakloroetaani või polütetrafluoroetüleeni segud põlevad smaragdrohelise leegiga. 
Hüdriidide moodustumine.
Üterbiumi reaktsioon divesinikuga ei ole täielik, sest divesinik tungib metallistruktuuri oktaeedertühemetesse ning moodustuvad mittestöhhiomeetrilised hüdriidifaasid, kusjuures koostis sõltub temperatuurist ja divesinikurõhust.
Lahustumine.
Vees lahustub üterbium aeglaselt, hapetes kiiremini, kusjuures moodustub vesinik. Lahuses esinevad enamasti kolmevalentsed värvitud üterbiumioonid hüdraadi [Yb(H2O)9]3+ kujul. Kollakasroheline kahevalentne üterbiumioon ei ole vesilahuses stabiilne, see oksüdeerub vesilahuses moodustudes poolestusajaga umbes 2,8 tundi kolmevalentseks iooniks. 
Kui üterbiumi lahustada vedelas ammoniaagis, moodustub nagu naatriumi puhulgi solvateeritud elektronide tõttu sinine lahus.
Veega reageerimine.
Üterbium on üsna elektropositiivne ning reageerib aeglaselt külma veega ja päris kiiresti kuuma veega, moodustades üterbium(III)hüdroksiidi:
2 Yb (tahke) + 6 H2O (vedel) → 2 Yb(OH)3 (vesilahus) + 3 H2 (gaas)
Ühendid.
Teada on üterbiumiühendid oksüdatsiooniastmega +2 ja +3, kusjuures, nagu kõikidel lathanoididel, +3 on sagedasem ja stabiilsem oksüdatsiooniaste.
Halogeniidid.
Halogeenide fluori, kloori, broomi ja joodiga moodustab üterbium kaks rida sooli valemitega YbX2 ja YbX3. Dihalogeniidid oksüdeeruvad kergesti trihalogeniidideks, kõrgematel temperatuuridel disproportsioneeruvad nad üterbiumtrihalogeniidideks ja üterbiumiks.
formula_1
Mitut üterbiumhalogeniidi kasutatakse reagentidena orgaanilises sünteesis. Nii on üterbium(III)kloriid Lewisi hape ja seda saab kasutada katalüsaatorina näiteks aldoolreaktsioonides, Dielsi-Alderi reaktsioonides ja allüülimistes. Üterbium(II)jodiidi saab, nagu samaarium(II)jodiidigi, kasutada redutseerijana või sidestusreaktsioonides.
Üterbium(III)fluoriidi kasutatakse inertse ja mittemürgise täiteainena stomatoloogias. Ta vabastab pidevalt hambatervisele olulist fluoriidi ning on ka hea röntgenkontrastaine.
Metallorgaanilsed ühendid.
On teada rida metallorgaanilisi ühendeid. Ühendeid, milles on sigmaside üterbiumi ja süsiniku vahel, on teada vähe, sest nii nende puhul, nagu ka paljude siirdemetallide puhul, tekivad kergesti jadareaktsioonid, nagu hüdriidi β-elimineerimine. Seetõttu on nad stabiilsed steeriliselt nõudlike asendusrühmadega, nagu "tert"-butüülrühm, või suurema hulga väikeste asendusrühmadega, nagu heksametüülüterbaat-kompleksis [Yb(CH3)6]3+. Üterbiumi tähtsamad ligandid on tsüklopentadienüül ja selle derivaadid. Üterbiumi sändvitš-ühendeid ei ole teada tsüklopentadienüüliga, vaid suuremate ligandidega, nagu pentafenüültsüklopentadienüül. Peale selle tuntakse komplekse η5- koordineeritud tsüklopentadienüül-ligandidega: CpYbX2, Cp2YbX und Cp3Yb (Cp on tsüklopentadienüül, X võib olla halogeniid, hüdriid, alkoksiid või muu).
Oksiidid.
Dihapnikuga reageerib üterbium üterbium(III)oksiidiks (Yb2O3), mis nagu teisedki raskemate lantanoidide kolmevalentsed oksiidid, kristalliseerub kuubilises lantanoid-C-võres. Selle ühendi saab reaktsioonis metallililise üterbiumiga redutseerida üterbium(II)oksiidiks, mis kristalliseerub naatriumkloriidivõres.
Levik, varud ja päritolu.
Üterbium on Maal haruldane element, tema sagedus mandrilises maakoores on ligikaudu 3,2 ppm.
Üterbium esineb haruldaste muldade koostisosana, eriti mineraalides, mille põhikoostisosad on ütrium ja raskemad lantanoidid, nagu ksenotiim ja gadoliniit. Nii sisaldab Malaisia ksenotiim kuni 6,2% üterbiumi. Tseriitmuldades, nagu monatsiit ja bastnäsiit, on üterbiumisisaldus väiksem, nii sisaldab monatsiit olenevalt leiukohast 0,12–0,5% üterbiumi.
On teada mitu haruldast mineraali, milles üterbium on kõige sagedasem haruldane muldmetall. Nende seas on ksenotiim-(Yb), milles üterbiumi massiprotsent on 32 ja mille koostist näitab valem (Yb0,40Y0,27Lu0,12Er0,12Dy0,05Tm0,04Ho0,01)PO4 ja keiviiit-(Yb) valemiga (Yb1,43Lu0,23Er0,17Tm0,08Y0,05Dy0,03Ho0,02)2Si2O7. Iga niisugune mineraal kuulub mõnda segakristalliritta, millest on teada ka teisi looduslikke esindajaid (nende põhikoostisosa on enamasti ütrium).
Tähtsamad üterbiumi allikad on monatsiidi- ja ksenotiimileiukohad Hiinas ja Malaisias (seal kassiteriidi aktsessoorse mineraalina). Vähese nõudluse tõttu ei peeta üterbiumiga varustamise olukorda kriitiliseks.
Üterbiumi teket, mis põhineb võimel kinni püüda kiireid neutroneid, seostatakse tähtede muutumisega punasteks hiidudeks, supernoovadega ja neutrontähtedega.
Saamine ja tootmine.
Üterbiumi saamine on eelkõige lantanoidide eraldamise raskuse tõttu keeruline ja aegavõttev. Lähtemineraale, nagu monatsiiti ja ksenotiimi, töödeldakse kõigepealt hapete või leelistega ja lahustatakse. Üterbiumi eraldamine teistest lantanoididest on siis võimalik mitmesuguste meetoditega, kusjuures eraldamine ioonreaktsiooni abil on nii üterbiumi kui ka teiste haruldaste lantanoidide puhul tehnikas kõige tähtsam meetod. Seejuures kantakse sobivate haruldaste muldadega lahus sobivale vaigule, millega üksikud lantanoidioonid astuvad erineva tugevusega sidemesse. Edasi lahutatakse need eralduskolonnis kompleksimoodustajate, nagu etüleendiamiintetraäädikhape (EDTA), dietüleentriamiinpentaäädikhape (DTPA) ja HEDTA, abil vaigust, ja tänu sellele, et side vaiguga on erineva tugevusega, eraldatakse üksikud lantanoidid.
Keemiline eraldamine on võimalik üterbiumatsetaadi, luteetsiumatsetaadi ja tuuliumatsetaadi erinevate reaktsioonide abil naatriumamalgaamiga. Seejuures moodustab üterbium amalgaami, aga luteetsiumi- ja tuuliumiühend ei reageeri.
Metallilist üterbiumi on võimalik saada elektrolüüsi teel üterbium(III)fluoriidi ja üterbium(III)kloriidi sulatisest, leelis- või muldleelismetallhalogeniididega reduktsiooni teel sulamistemperatuuril ning vedela kaadmiumi või tsingiga katoodina. Peale selle on metallilist üterbiumi võimalik toota üterbium(III)fluoriidi metallotermilise reduktsiooni teel kaltsiumiga või üterbium(III)oksiidi metallotermilise reduktsiooni teel lantaani või tseeriumiga. Kui viimane reaktsioon toimub vaakumis, siis üterbium destilleerub ja nii saab teda teistest lantanoididest eraldada.
Kasutamine.
Üterbiumi ja selle ühendeid kasutatakse äriliselt väga vähe. Sulami koostisosana parandab üterbium roostevaba terase terasuurust, tugevust ja mehaanilisi omadusi. On uuritud üterbiumiulamite kasutamist stomatoloogias.
Üterbiumi kasutatakse, nagu teisigi lantanoide, dopeerimisvahenditena ütriumalumiiniumalumiiniumgraranaatlaserites (). Eelised ite ees on suurem võimalik dopeerimine, kõrgema energiataseme pikem eluiga ja suurem neeldumisriba. Ka kiudlaserites on üterbium tähtis dopeerimisvahend, mida sarnaste eeliste tõttu nagu YAG-laseri puhul saab kasutada eriti võimsate kiudlaserite puhul. Eeliste seas on suur dopeerimine, suur neeldumispiirkond (850–1070 nm) ning ka suur emissioonipiirkond (970–1200 nm).
Eksperimentaalselt on üterbiumi uuritud tseesiumi võimaliku alternatiivina aatomkellades. Seejuures mõõdeti neli korda suurem täpsus kui tseesiumaatomkellal.
Üterbiumi uuritakse praegu kui magneesiumi võimalikku asendajat kinemaatiliste infrapunapettekehade rasketes laengutes. Seejuures on üterbiumil üterbium(III)oksiidi tunduvalt suurema emissiivsuse tõttu infrapunapiirkonnas võrreldes magneesiumoksiidiga suurem kiirgusvõimsus kui traditsioonilistel laengutel magneesium/teflon/vitooni (MTV) baasil.
Bioloogiline tähtsus ja mürgisus.
Üterbium esineb organismis minimaalses koguses ja tal puudub bioloogiline tähtsus. Vähesed elusolendid, nagu samblikud, suudavad üterbiumi omastada ja sisaldavad üterbiumi rohkem kui 900 ppb. Pruunvetikatel "(Sargassum polycystum)" on mõõdetud biosorptsioon 0,7–0,9 mmol·g−1.
Üterbium ja selle lahustuvad ühendid on kergelt mürgised, üterbium(III)kloriidi puhul mõõdeti hiirtel keskmiseks surmavaks annuseks 395 mg/kg kõhukelmesisese manustamise puhul ja 6700 mg/kg suukaudse manustamise puhul. Loomkatses küülikutega ärritab üterbiumkloriid silmi kergelt ja nahka ainult vigastuste korral. Üterbiumi peetakse teratogeeniks; ühes uuringus kuldhamstri embrüotega täheldati pärast üterbiumkloriidi manustamist luustikumuutusi, nagu kokkukasvanud või ülemäärased roided või muutused selgroos.
Populaarkultuuris.
Sarjas "Salajane ladu 13" on laos üterbiumist kambris Pandora laegas, kuni ladu hävitatakse ja lootus lahkub laekast.
Uurimislugu.
Üterbiumi avastas 1878. aastal Šveitsi keemik Jean Charles Galissard de Marignac. Ta uuris gadoliniiti täpsemalt ning püüdis nitraate kuumas vees lagundades lahustamatut erbiumi mineraali teistest koostisosadest eraldada. Ta avastas seejuures, et järelejäänud kristallide seas on peale punase erbiumnitraadi ka värvituid kristalle. Neeldumisspektri mõõtmine näitas, et tegu peab olema senitundmatu elemendi kristallidega. Selle elemendi nimetas ta gadoliniidi leiukoha Ytterby (Rootsi) järgi ning sarnasuse tõttu ütriumiga üterbiumiks. Need kaks elementi eraldati teises eksperimendis, lisades kloriidide lahusele sulfoksüülhapet.
1907. aastal avastasid prantslane Georges Urbain, austerlane Carl Auer von Welsbach ja ameeriklane Charles James üksteisest sõltumatult, et Marignac leitud üterbium ei ole ühtne element, vaid kahe elemendi segu. Nad lahutasid selle segu puhtaks üterbiumiks ning luteetsiumiks. Carl Auer von Welsbach nimetas need elemendid vastavalt aldebaraaniumiks ("Aldebaranium") (täht Aldebaraani järgi) ja kassiopeiumiks ("Cassiopeium"), Urbain vastavalt neoüterbiumiks ja luteetsiumiks ("lutécium"). 1909. aastal otsustas rahvusvaheline aatomkaalukomisjon, mille liikmed olid Frank Wigglesworth Clarke, Wilhelm Ostwald, Thomas Edward Thorpe ja Georges Urbain, et luteetsiumi avastaja on Urbain ning seega kehtivad ka tema antud nimetused. Üterbiumile jäeti siiski alles Marignaci antud nimetus.
Üterbiumi lihtainena said esimestena 1936. aastal Wilhelm Klemm ja Heinrich Bommer. Nad said metalli, redutseerides üterbium(III)kloriidi kaaliumiga 250 °C juures. Nad tegid ka kindlaks selle metalli kristallistruktuuri ja magnetilised omadused.