El iterbio es un elemento químico ; tiene símbolo Yb y número atómico 70. Es un metal, 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 . Al igual que los demás lantánidos, su estado de oxidación más común es +3, al igual que en sus óxidos , haluros y otros compuestos. En solución acuosa , al igual que los compuestos de otros lantánidos tardíos, los compuestos solubles de iterbio forman complejos con nueve moléculas de agua. Debido a su configuración electrónica de capa cerrada, su densidad, punto de fusión y punto de ebullición son mucho más bajos que 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) a la que llamó " ytterbia ", para Ytterby , el pueblo de Suecia cerca de donde encontró el nuevo componente de erbio . Sospechaba que la yterbia era un compuesto de un nuevo elemento al que llamó "iterbio". (En total, cuatro elementos recibieron el nombre de la aldea, los otros fueron itrio , terbio y erbio ). En 1907, la nueva tierra "lutecia" se separó de la iterbia, de la que se extrajo el elemento "lutecio" (ahora lutecio ). por Georges Urbain , Carl Auer von Welsbach y Charles James . Después de algunas discusiones, se mantuvo el nombre de Marignac "iterbio". No se obtuvo una muestra relativamente pura del metal hasta 1953. Actualmente, el iterbio se utiliza principalmente como dopante de acero inoxidable o medios láser activos , y menos a menudo como fuente de rayos gamma .
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 sólo entre muchos otros elementos de tierras raras ; además, se encuentra entre los menos abundantes. Una vez extraído y preparado, el iterbio es algo peligroso como irritante para los ojos y la piel. El metal presenta peligro de incendio y explosión.
El iterbio es un elemento químico blando, maleable y dúctil . Cuando está recién preparado, es menos dorado que el cesio, pero de color más dorado que simplemente un "tono amarillo" como en metales como el iridio. Es un elemento de tierras raras y los ácidos minerales fuertes lo disuelven fácilmente . [9]
El iterbio tiene tres alótropos etiquetados con las letras griegas alfa, beta y gamma. Sus temperaturas de transformación son −13 ° C y 795 °C, [9] aunque la temperatura de transformación exacta depende de la presión y la tensión . [10] El alótropo beta (6,966 g/cm 3 ) existe a temperatura ambiente y tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras . El alótropo gamma de alta temperatura (6,57 g/cm 3 ) tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo . [9] El alótropo alfa (6,903 g/cm 3 ) tiene una estructura cristalina hexagonal y es estable a bajas temperaturas. [11] El alótropo beta tiene una conductividad eléctrica metálica a presión atmosférica normal, pero se convierte en un semiconductor cuando se expone a una presión de aproximadamente 16.000 atmósferas (1,6 GPa ). Su resistividad eléctrica aumenta diez veces tras 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). [9] [12]
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 . [13] Sin embargo, el alótropo alfa es diamagnético . [10] 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. [9]
A diferencia de la mayoría de los otros lantánidos, que tienen una red hexagonal muy compacta, el iterbio cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras. El iterbio tiene una densidad de 6,973 g/cm 3 , que es significativamente menor que la de los lantánidos vecinos, el tulio (9,32 g/cm 3 ) y el lutecio (9,841 g/cm 3 ). 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 14 6s 2 ), que hace que sólo los dos electrones 6s estén disponibles para el enlace metálico (a diferencia de los otros lantánidos donde hay tres electrones disponibles) y aumenta Radio metálico del iterbio . [11]
El iterbio metálico se empaña lentamente con el aire y adquiere un tono dorado o marrón. El iterbio finamente disperso se oxida fácilmente en el aire y en presencia de oxígeno. Las mezclas de iterbio en polvo con politetrafluoroetileno o hexacloroetano arden con una llama de color verde esmeralda. [14] El iterbio reacciona con el hidrógeno para formar varios hidruros no estequiométricos . El iterbio se disuelve lentamente en agua, pero rápidamente en ácidos, liberando gas hidrógeno. [11]
El iterbio es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría y bastante rápido con agua caliente para formar hidróxido de iterbio (III): [15]
El iterbio reacciona con todos los halógenos : [15]
El ion iterbio (III) absorbe luz en el rango de longitudes de onda del infrarrojo cercano , pero no en 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 iones Yb(III) incoloros, que existen como complejos no hidratados: [15]
Aunque suele ser trivalente, el iterbio forma fácilmente compuestos divalentes. Este comportamiento es inusual para los lantánidos , que forman casi exclusivamente compuestos con un estado de oxidación de +3. El estado +2 tiene una configuración electrónica de valencia de 4 f 14 porque la capa f completamente llena proporciona más estabilidad. El ion iterbio (II) de color amarillo verdoso es un agente reductor muy fuerte y descompone el agua, liberando gas hidrógeno y, por lo tanto, solo el ion iterbio (III) incoloro se encuentra 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 electruros azules . [11]
El iterbio natural se compone de siete isótopos estables : 168 Yb, 170 Yb, 171 Yb, 172 Yb, 173 Yb, 174 Yb y 176 Yb, siendo 174 Yb el más común, con un 31,8% de la abundancia natural . Se han observado treinta y dos radioisótopos , siendo los más estables 169 Yb con una vida media de 32,0 días, 175 Yb con una vida media de 4,18 días y 166 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 169m Yb ( t 1/2 46 segundos). [16] [8]
Los isótopos del iterbio oscilan entre 149 Yb y 187 Yb. [8] [17] El modo de desintegración principal de los isótopos de iterbio más ligeros que el isótopo estable más abundante, 174 Yb, es la captura de electrones , y el modo de desintegración principal para aquellos más pesados que 174 Yb es la desintegración beta . Los productos de desintegración primarios de los isótopos de iterbio más livianos que 174 Yb son isótopos de tulio , y los productos de desintegración primarios de los isótopos de iterbio con más peso de 174 Yb son isótopos de lutecio . [16] [8]
El iterbio se encuentra con otros elementos de tierras raras en varios minerales raros . La mayoría de las veces se recupera comercialmente de arena de monacita (0,03% de iterbio). El elemento también se encuentra en euxenita y xenotima . Las principales zonas mineras son China, Estados Unidos, Brasil , India, Sri Lanka y Australia. Las reservas de iterbio se estiman en un millón de toneladas . Normalmente es difícil separar el iterbio de otras tierras raras, pero las técnicas de intercambio iónico y 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 aproximadamente 3 mg/kg. [12]
Como lantánido 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 aproximadamente el 0,5% cada uno. La producción mundial de iterbio es sólo de unas 50 toneladas por año, lo que refleja que tiene pocas aplicaciones comerciales. [12] Se utilizan trazas microscópicas de iterbio como dopante en el láser Yb:YAG , un láser de estado sólido en el que el iterbio es el elemento que sufre una emisión estimulada de radiación electromagnética . [18]
El iterbio suele ser el sustituto más común de los minerales de itrio . En muy pocos casos conocidos, el iterbio prevalece sobre el itrio, como por ejemplo en el xenotimo -(Yb). Se conoce un informe de iterbio nativo del regolito de la Luna . [19]
Es relativamente difícil separar el iterbio de otros lantánidos debido a sus propiedades similares. Como resultado, el proceso es algo largo. En primer lugar, minerales como la monacita o la xenotima se disuelven en diversos 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 con diferentes afinidades. Luego se disuelve usando agentes complejantes y, debido a los diferentes tipos de enlaces que presentan los diferentes lantánidos, es posible aislar los compuestos. [20] [21]
El iterbio se separa de otras tierras raras mediante intercambio iónico o mediante reducción con amalgama de sodio. En el último método, se trata una solución ácida tamponada de tierras raras trivalentes con una aleación fundida de sodio y mercurio, que reduce y disuelve el Yb 3+ . La aleación se trata con ácido clorhídrico . El metal se extrae de la solución como oxalato y se convierte en óxido mediante calentamiento. El óxido se reduce a metal calentando con lantano , aluminio , cerio o circonio en alto vacío. El metal se purifica por sublimación y se recoge sobre una placa condensada. [22]
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El comportamiento químico del iterbio es similar al del resto de 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 pueden reducirse a dihaluros mediante hidrógeno , polvo de zinc o mediante la adición de iterbio metálico. [11] El estado de oxidación +2 ocurre sólo 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). [11]
El iterbio forma dihaluros y trihaluros con los halógenos flúor , cloro , bromo y yodo . Los dihaluros son susceptibles a la oxidación a los trihaluros a temperatura ambiente y desproporcionados a los trihaluros y al iterbio metálico a alta temperatura: [11]
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 puede usarse como catalizador en las reacciones Aldol [23] y Diels-Alder . [24] El yoduro de iterbio (II) (YbI 2 ) se puede utilizar, al igual que el yoduro de samario (II) , como agente reductor para reacciones de acoplamiento . [25] El fluoruro de iterbio (III) (YbF 3 ) se utiliza como empaste 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 para rayos X. [26]
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 da lugar a iterbio. átomos en dos entornos diferentes de seis coordenadas (no octaédricos). [27] 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 . [11]
El dodecabouro de iterbio (YbB 12 ) es un material cristalino que se ha estudiado para comprender diversas propiedades electrónicas y estructurales de muchas sustancias químicamente relacionadas. Es un aislante Kondo . [28] Es un material cuántico ; En condiciones normales, el interior del cristal en masa es un aislante mientras que la superficie es altamente conductora . [29] Entre los elementos de tierras raras , el iterbio es uno de los pocos que puede formar un dodecabouro estable, una propiedad atribuida a su radio atómico comparativamente pequeño. [30]
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 ytterbia, por Ytterby , el pueblo sueco cerca de donde encontró el nuevo componente del erbio. Marignac sospechaba que la yterbia era un compuesto de un nuevo elemento al que llamó "iterbio". [12] [26] [31] [32] [33]
En 1907, el químico francés Georges Urbain separó la yterbia de Marignac en dos componentes: neoytterbia y lutecia. Más tarde, Neoytterbia pasó a ser conocida como el elemento iterbio, y la lutecia pasó a ser conocida como el elemento lutecio . El químico austriaco Carl Auer von Welsbach aisló de forma independiente estos elementos de la iterbia aproximadamente al mismo tiempo, pero los llamó aldebaranio y casiopeio; [12] el químico estadounidense Charles James también aisló estos elementos de forma independiente aproximadamente al mismo tiempo. [34] Urbain y Welsbach se acusaron mutuamente de publicar resultados basándose en la otra parte. [35] [36] [37] La Comisión sobre 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 otorgando prioridad a Urbain. y adoptando sus nombres como oficiales, basándose en el hecho de que la separación del lutecio del iterbio de Marignac fue descrita por primera vez por Urbain. [35] Después de que se reconocieron los nombres de Urbain, el neoyterbio se revirtió a iterbio.
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 . [12] El precio del iterbio se mantuvo relativamente estable entre 1953 y 1998, en alrededor de 1.000 dólares EE.UU./kg. [38]
El isótopo 169 Yb (con una vida media de 32 días), que se crea junto con el isótopo de vida corta 175 Yb (vida media de 4,2 días) mediante la activación de neutrones durante la irradiación de iterbio en reactores nucleares , se ha utilizado como una fuente de radiación en máquinas de rayos X portátiles . Al igual que los rayos X, los rayos gamma emitidos por la fuente atraviesan los tejidos blandos del cuerpo, pero son bloqueados por los huesos y otros materiales densos. Así, pequeñas muestras de 169 Yb (que emiten rayos gamma) actúan como diminutas máquinas de rayos X útiles para radiografiar objetos pequeños. Los experimentos muestran que las radiografías tomadas con una fuente de 169 Yb son aproximadamente equivalentes a las tomadas con rayos X con energías entre 250 y 350 keV. El 169 Yb también se utiliza en medicina nuclear . [39]
En 2013, los relojes de iterbio mantuvieron el récord de estabilidad con tics estables en menos de dos partes en 1 quintillón (2 × 10-18 ) . [40] Estos relojes desarrollados en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) se basan en alrededor de 10.000 átomos de iterbio enfriados por láser a 10 microkelvin (10 millonésimas de grado por encima del cero absoluto ) y atrapados en una red óptica : una serie de panqueques. -Pozos en forma de luz láser. Otro láser que "ticta" 518 billones de veces por segundo (518 THz) 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, por lo que los relojes ópticos pueden ser más precisos que los relojes atómicos de cesio . El Physikalisch-Technische Bundesanstalt está trabajando en varios relojes ópticos de este tipo. El modelo con un solo ion de iterbio atrapado en una trampa de iones es muy preciso. El reloj óptico basado en él tiene una exactitud de 17 dígitos después del punto decimal. [41]
Un par de relojes atómicos experimentales basados en átomos de iterbio en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología han establecido un récord de estabilidad. Los físicos del NIST informaron en la edición del 22 de agosto de 2013 de Science Express que los tictac 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. [42]
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 . [9] [12]
El ion Yb 3+ 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. [43] Los láseres de iterbio comúnmente irradian en la banda de 1,03 a 1,12 μm y se bombean ópticamente a una longitud de onda de 900 nm a 1 μm, dependiendo del huésped y la aplicación. El pequeño defecto cuántico convierte al iterbio en un posible dopante para láseres eficientes y escalamiento de potencia . [44]
La cinética de excitaciones en materiales dopados con iterbio es simple y puede describirse dentro del concepto de secciones transversales 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 , [45] [46] [47] aunque la aplicación a los materiales compuestos dopados con iterbio estaba en discusión. [48] [49]
Generalmente se utilizan bajas concentraciones de iterbio. En altas concentraciones, los materiales dopados con iterbio muestran fotooscurecimiento [50] (fibras de vidrio) o incluso un cambio a emisión de banda ancha [51] (cristales y cerámicas) en lugar de una acción láser eficiente. Este efecto puede estar relacionado no sólo con el sobrecalentamiento, sino también con las condiciones de compensación de carga en altas concentraciones de iones de iterbio. [52]
Se han logrado muchos avances en los láseres y amplificadores 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 y en las fibras dopadas con Yb. La fabricación de fibras de área de modo grande y baja NA permite lograr cualidades 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. [53] Las fibras LMA dopadas con iterbio también tienen las ventajas de un diámetro de campo modal más grande, lo que anula 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 proporcionan una clara ventaja. sobre fibras monomodo dopadas con iterbio.
Para lograr niveles de potencia aún mayores en sistemas de fibra a base de iterbio, se deben considerar todos los factores de la fibra. Esto sólo se puede lograr mediante la optimización de todos los parámetros de la fibra de iterbio, 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 la adaptación de las fibras pasivas dentro de la cavidad óptica. [54] La optimización del propio vidrio dopado con iterbio mediante la modificación del vidrio anfitrión de varios dopantes también juega un papel importante en la reducción de la pérdida de fondo del vidrio, mejoras en la eficiencia de la pendiente de la fibra y un mejor rendimiento del fotooscurecimiento, todo lo cual contribuye a mayores niveles de potencia en sistemas de 1 μm.
El ion cargado 171 Yb + es utilizado por múltiples grupos académicos y empresas como qubit de iones atrapados para la computación cuántica . [55] [56] [57] Las puertas de entrelazamiento , como la puerta de Mølmer-Sørensen , se han logrado dirigiendo los iones con láseres de pulso de modo bloqueado . [58]
El iterbio metálico aumenta su resistividad eléctrica cuando se somete a altas tensiones. Esta propiedad se utiliza en medidores de tensión para monitorear las deformaciones del suelo debido a terremotos y explosiones. [59]
Actualmente, el iterbio se está investigando como un posible sustituto del magnesio en cargas útiles pirotécnicas de alta densidad para bengalas señuelo infrarrojas cinemáticas . Como 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 cargas útiles a base de iterbio en comparación con las que comúnmente se basan en magnesio/teflón/vitón (MTV). [60]
Aunque el iterbio es químicamente bastante estable, se almacena en recipientes herméticos y en una atmósfera inerte, como una caja seca llena de nitrógeno, para protegerlo del aire y la humedad. [61] 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 . [62] El polvo de iterbio metálico puede arder espontáneamente. [63]
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