El iterbio es un elemento químico ; su símbolo es Yb y su número atómico es 70. Es un metal, el decimocuarto y penúltimo elemento de la serie de los lantánidos , lo que constituye la base de la relativa estabilidad de su estado de oxidación +2 . Al igual que los demás lantánidos, su estado de oxidación más común es el +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 demás lantánidos.
En 1878, el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac separó la tierra rara "erbia" (otro componente independiente) a la que llamó " ytterbia ", por Ytterby , el pueblo de Suecia cerca de donde encontró el nuevo componente del erbio . Sospechaba que la iterbia era un compuesto de un nuevo elemento al que llamó "ytterbium". (En total, cuatro elementos recibieron el nombre del pueblo, siendo los otros itrio , terbio y erbio ). En 1907, la nueva tierra "lutecia" se separó de la iterbia, de la que Georges Urbain , Carl Auer von Welsbach y Charles James extrajeron el elemento "lutecium" (ahora lutetium ) . Después de algunas discusiones, se mantuvo el nombre de Marignac "ytterbium". No se obtuvo una muestra relativamente pura del metal hasta 1953. En la actualidad, el iterbio se utiliza principalmente como dopante de acero inoxidable o de medios láser activos , y con menor frecuencia 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 como monacita , euxenita y xenotima . La concentración de iterbio es baja porque se encuentra solo entre muchos otros elementos de tierras raras ; además, es uno de los menos abundantes. Una vez extraído y preparado, el iterbio es algo peligroso como irritante para los ojos y la piel. El metal es un 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 un color más dorado que el "tono amarillento" de los metales como el iridio. Es un elemento de tierras raras y se disuelve fácilmente en ácidos minerales fuertes . [10]
El iterbio tiene tres alótropos etiquetados con las letras griegas alfa, beta y gamma. Sus temperaturas de transformación son −13 ° C y 795 °C, [10] aunque la temperatura de transformación exacta depende de la presión y el estrés . [11] 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 . [10] El alótropo alfa (6,903 g/cm 3 ) tiene una estructura cristalina hexagonal y es estable a bajas temperaturas. [12] 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 al comprimirse hasta 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). [10] [13]
A diferencia de los 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 . [14] Sin embargo, el alótropo alfa es diamagnético . [11] 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. [10]
A diferencia de la mayoría de los otros lantánidos, que tienen una red hexagonal 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 menores 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 solo los dos electrones 6s estén disponibles para el enlace metálico (en contraste con los otros lantánidos donde hay tres electrones disponibles) y aumenta el radio metálico del iterbio . [12]
El iterbio metálico se empaña lentamente en el aire, adquiriendo 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 verde esmeralda. [15] 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. [12]
El iterbio es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría y bastante rápido con agua caliente para formar hidróxido de iterbio (III): [16]
El iterbio reacciona con todos los halógenos : [16]
El ion iterbio(III) absorbe luz en el rango de longitudes de onda del infrarrojo cercano , pero no en la luz visible , por lo que el iterbio , Yb2O3 , 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 los iones incoloros Yb(III), que existen como complejos nonahidratados: [16]
Aunque normalmente es 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 le da más estabilidad. El ion iterbio(II) amarillo-verde es un agente reductor muy fuerte y descompone el agua, liberando gas hidrógeno , y por lo tanto solo el ion iterbio(III) incoloro se presenta 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 metal iterbio se comporta de manera similar al metal europio y los metales alcalinotérreos, disolviéndose en amoníaco para formar sales de electruro azules . [12]
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 el 174 Yb el más común, con un 31,8% de la abundancia natural ). Se han observado treinta y dos radioisótopos , siendo los más estables el 169 Yb con una vida media de 32,0 días, el 175 Yb con una vida media de 4,18 días y el 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 estos tienen vidas medias inferiores a 20 minutos. El iterbio también tiene 12 estados meta , siendo el más estable el 169m Yb ( t 1/2 46 segundos). [17] [9]
Los isótopos del iterbio varían de 149 Yb a 187 Yb. [9] [18] El modo de desintegración primario 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 primario para aquellos más pesados que 174 Yb es la desintegración beta . Los productos de desintegración primarios de los isótopos de iterbio más ligeros que 174 Yb son los isótopos de tulio , y los productos de desintegración primarios de los isótopos de iterbio con más peso que 174 Yb son los isótopos de lutecio . [17] [9]
El iterbio se encuentra junto con otros elementos de tierras raras en varios minerales raros . Se recupera con mayor frecuencia de forma comercial a partir de arena de monacita (0,03 % de iterbio). El elemento también se encuentra en la euxenita y la xenotima . Las principales áreas mineras son China, Estados Unidos, Brasil , India, Sri Lanka y Australia. Las reservas de iterbio se estiman en un millón de toneladas . El iterbio normalmente es difícil de separar 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 unos 3 mg/kg. [13]
Como lantánido de número 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 de solo unas 50 toneladas por año, lo que refleja que tiene pocas aplicaciones comerciales. [13] Las trazas microscópicas de iterbio se utilizan como dopante en el láser Yb:YAG , un láser de estado sólido en el que el iterbio es el elemento que experimenta una emisión estimulada de radiación electromagnética . [19]
El iterbio es a menudo el sustituto más común en los minerales de itrio . En muy pocos casos/apariciones conocidas el iterbio prevalece sobre el itrio, como, por ejemplo, en la xenotima -(Yb). Se conoce un informe de iterbio nativo del regolito de la Luna . [20]
Es relativamente difícil separar el iterbio de otros lantánidos debido a sus propiedades similares. Como resultado, el proceso es algo largo. Primero, los minerales como la monacita o la xenotima se disuelven en varios 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, esta se disuelve utilizando agentes complejantes y, debido a los diferentes tipos de unión que exhiben los diferentes lantánidos, es posible aislar los compuestos. [21] [22]
El iterbio se separa de otras tierras raras ya sea por intercambio iónico o por reducción con amalgama de sodio. En el último método, una solución ácida tamponada de tierras raras trivalentes se trata 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 por 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. [23]
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El comportamiento químico del iterbio es similar al del resto de los 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. [12] El estado de oxidación +2 se produce solo 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). [12]
El iterbio forma tanto dihaluros como trihaluros con los halógenos flúor , cloro , bromo y yodo . Los dihaluros son susceptibles a la oxidación a trihaluros a temperatura ambiente y desproporcionados con respecto a los trihaluros y el iterbio metálico a alta temperatura: [12]
Algunos haluros de iterbio se utilizan como reactivos en la síntesis orgánica . Por ejemplo, el cloruro de iterbio (III) (YbCl 3 ) es un ácido de Lewis y se puede utilizar como catalizador en las reacciones aldólicas [24] y de Diels-Alder . [25] 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 . [26] El fluoruro de iterbio (III) (YbF 3 ) se utiliza como un relleno dental inerte y no tóxico, ya que libera continuamente iones de flúor , que son buenos para la salud dental, y también es un buen agente de contraste de rayos X . [27]
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 lleva a átomos de iterbio en dos entornos de seis coordenadas diferentes (no octaédricos). [28] 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 . [12]
El dodecaboruro de iterbio (YbB 12 ) es un material cristalino que se ha estudiado para comprender varias propiedades electrónicas y estructurales de muchas sustancias relacionadas químicamente. Es un aislante Kondo . [29] Es un material cuántico ; en condiciones normales, el interior del cristal en masa es un aislante mientras que la superficie es altamente conductora . [30] Entre los elementos de tierras raras , el iterbio es uno de los pocos que pueden formar un dodecaboruro estable, una propiedad atribuida a su radio atómico comparativamente pequeño. [31]
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 conocido entonces como erbio , y lo llamó iterbio, en honor a Ytterby , el pueblo sueco cerca del cual encontró el nuevo componente del erbio. Marignac sospechó que el iterbio era un compuesto de un nuevo elemento al que llamó "iterbio". [13] [27] [32] [33] [34]
En 1907, el químico francés Georges Urbain separó la iterbia de Marignac en dos componentes: neoyterbia y lutecia . La neoyterbia más tarde se conoció como el elemento iterbio, y la lutecia pasó a ser conocida como el elemento lutecio . El químico austríaco Carl Auer von Welsbach aisló independientemente estos elementos de la iterbia aproximadamente al mismo tiempo, pero los llamó aldebaranium ( Ad ; por Aldebarán ) y cassiopeium ; [13] el químico estadounidense Charles James también aisló independientemente estos elementos aproximadamente al mismo tiempo. [35] Urbain y Welsbach se acusaron mutuamente de publicar resultados basados en la otra parte. [36] [37] [38] La Comisión de Masa Atómica, formada 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. [36] Después de que se reconocieran los nombres de Urbain, el neoyterbio volvió a ser iterbio .
Las propiedades químicas y físicas del iterbio no pudieron determinarse con precisión hasta 1953, cuando se produjo el primer metal iterbio casi puro mediante procesos de intercambio iónico . [13] El precio del iterbio se mantuvo relativamente estable entre 1953 y 1998, en alrededor de 1.000 dólares estadounidenses por kilo. [39]
El isótopo 169 Yb (con una vida media de 32 días), que se crea junto con el isótopo 175 Yb de vida corta (vida media de 4,2 días) por activación neutrónica durante la irradiación de iterbio en reactores nucleares , se ha utilizado como fuente de radiación en máquinas de rayos X portátiles . Al igual que los rayos X, los rayos gamma emitidos por la fuente pasan a través de los tejidos blandos del cuerpo, pero son bloqueados por los huesos y otros materiales densos. Por lo tanto, pequeñas muestras de 169 Yb (que emiten rayos gamma) actúan como pequeñas máquinas de rayos X útiles para la radiografía de objetos pequeños. Los experimentos muestran que las radiografías tomadas con una fuente de 169 Yb son aproximadamente equivalentes a las tomadas con rayos X que tienen energías entre 250 y 350 keV. El 169 Yb también se utiliza en medicina nuclear . [40]
En 2013, los relojes de iterbio mantuvieron el récord de estabilidad, con tics estables a menos de dos partes en un quintillón (2 × 10 −18 ). [41] Estos relojes desarrollados en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) se basan en unos 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 pozos con forma de panqueque hechos de luz láser. Otro láser que "hace tictac" 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 Instituto Federal de Física y Tecnología está trabajando en varios de estos relojes ópticos. El modelo con un solo ion de iterbio atrapado en una trampa de iones es muy preciso. El reloj óptico basado en él es exacto hasta 17 dígitos después del punto decimal. [42]
Un par de relojes atómicos experimentales basados en átomos de iterbio en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ha 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 con una precisión de menos de dos partes en un quintillón (un 1 seguido de 18 ceros), aproximadamente diez 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. [43]
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 . [10] [13]
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 altamente 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. [44] Los láseres de iterbio irradian comúnmente 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 anfitrión y la aplicación. El pequeño defecto cuántico hace que el iterbio sea un dopante potencial para láseres eficientes y escalado de potencia . [45]
La cinética de las 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 cumple la relación de McCumber , [46] [47] [48] aunque la aplicación a los materiales compuestos dopados con iterbio estaba en discusión. [49] [50]
Generalmente se utilizan concentraciones bajas de iterbio. En concentraciones altas, los materiales dopados con iterbio muestran fotooscurecimiento [51] (fibras de vidrio) o incluso un cambio a emisión de banda ancha [52] (cristales y cerámicas) en lugar de una acción láser eficiente. Este efecto puede estar relacionado no solo con el sobrecalentamiento, sino también con las condiciones de compensación de carga en altas concentraciones de iones de iterbio. [53]
Se han logrado grandes avances en los láseres y amplificadores de escalado 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, así como en las fibras dopadas con Yb. La fabricación de fibras de área modal grande y baja NA permite lograr calidades 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. [54] Las fibras LMA dopadas con iterbio también tienen las ventajas de un diámetro de campo modal más grande, que niega 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 las fibras dopadas con iterbio monomodo.
Para lograr niveles de potencia aún más altos en sistemas de fibra basados en iterbio, se deben considerar todos los factores de la fibra. Esto se puede lograr solo mediante la optimización de todos los parámetros de la fibra de iterbio, que van desde las pérdidas de fondo del núcleo hasta las propiedades geométricas, para reducir las pérdidas de empalme dentro de la cavidad. El escalamiento de potencia también requiere la optimización de las fibras pasivas correspondientes dentro de la cavidad óptica. [55] La optimización del propio vidrio dopado con iterbio a través de la modificación del vidrio anfitrión de varios dopantes también juega un papel importante en la reducción de la pérdida de fondo del vidrio, las mejoras en la eficiencia de la pendiente de la fibra y el rendimiento mejorado del fotooscurecimiento, todo lo cual contribuye a aumentar los niveles de potencia en sistemas de 1 μm.
El ion cargado 171 Yb + es utilizado por múltiples grupos académicos y empresas como el qubit de iones atrapados para computación cuántica . [56] [57] [58] Las puertas entrelazadas , como la puerta Mølmer–Sørensen , se han logrado abordando los iones con láseres de pulso bloqueados por modo . [59]
El metal iterbio aumenta su resistividad eléctrica cuando se lo somete a tensiones elevadas. Esta propiedad se utiliza en medidores de tensión para monitorear las deformaciones del suelo causadas por terremotos y explosiones. [60]
Actualmente, se está investigando el iterbio como posible sustituto del magnesio en cargas pirotécnicas de alta densidad para bengalas cinemáticas de señuelo infrarrojo . 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 basadas en iterbio en comparación con las que se basan comúnmente en magnesio/teflón/vitón (MTV). [61]
Aunque el iterbio es químicamente bastante estable, se almacena en contenedores herméticos y en una atmósfera inerte, como una caja seca llena de nitrógeno, para protegerlo del aire y la humedad. [62] Todos los compuestos de iterbio se consideran 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 . [63] El polvo de iterbio metálico puede arder espontáneamente. [64]
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