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鐿
稀土金屬
鐿（英文名：Ytterbium）是一種化學元素，元素符號為Yb，原子序數(shù)為70，位于第六周期的IIIB族，屬于f區(qū)金屬，其電子排布為[Xe]4f1?6s2。鐿金屬是一種稀土金屬，在常溫常壓下是一種質(zhì)地柔軟的銀色固體，延展性和可塑性較好，其熔點為819 °C，沸點為1196 °C，常溫下密度為6.90 g/cm3，不溶于水和堿，易溶于稀酸。稀土金屬鐿的化學性質(zhì)都很活潑，僅次于堿金屬和堿土金屬，能夠與鹵素、氧、硫、氮、硼等多種非金屬元素發(fā)生反應。鐿具有較強的還原能力，還原能力接近于鎂金屬。
基本信息
中文名
鐿
英文名
Ytterbium
拼音
yì
元素符號
Yb
原子序數(shù)
70
原子量
173.05
元素類別
稀土金屬
族
IIIB族
周期
第六周期
區(qū)
f區(qū)
電子排布
1s22s22p?3s23p?3d1o4s24p?4d1o4f1?5s25p?6s2
[Xe]4f1?6s2
CAS編號
7440-64-4
EINECS登錄號
231-173-2
物理性質(zhì)
外觀
銀色質(zhì)軟的固體（常溫常壓）
熔點
819 °C
沸點
1196 °C
密度
6.90 g/cm3（20 ℃）
水溶性
不溶于水和堿，易溶于稀酸
第一電離能
603.44 kJ·mol?1
原子性質(zhì)
氧化態(tài)
+2，+3
原子半徑
194 pm
危險性
GHS分類
H250（10.87%）：暴露在空氣中會自燃
H252（10.87%）：大量自熱；可能著火
H302（89.13%）：吞食有害
H312（89.13%）：與皮膚接觸有害
H315（86.96%）：引起皮膚刺激
H319（86.96%）：導致嚴重眼部刺激
H332（89.13%）：吸入有害
H335（100%）：可能導致呼吸道刺激
鐿元素具有多種同位素，質(zhì)量數(shù)從148到185不等，其中有7種同位素能夠穩(wěn)定存在，即1??Yb、1?oYb、1?1Yb、1?2Yb、1?3Yb、1??Yb、1??Yb。
發(fā)現(xiàn)歷史
1843年，瑞典化學家卡爾·古斯塔夫·莫山德（Carl Gustaf Mosander）從釔土中分離已知的元素后，發(fā)現(xiàn)剩余的土質(zhì)中仍然至少存在三種物質(zhì)，除去釔元素外，他將另外兩種元素命名為Erbia（當時為鋱，現(xiàn)今鉺）、Terbia（當時為鉺，現(xiàn)今鋱）。由于物質(zhì)的相似性，科學家們很快就混淆了Erbia和Terbia，并在1877年左右將它們的名稱顛倒過來，莫山德所說的“Erbia”現(xiàn)在被稱為“Terbia”，反之亦然。
1878年，瑞士化學家讓-夏爾·加利薩·德馬里尼亞（Jean-Charles Galissard de Marignac）加熱Erbia促使其分解并萃取殘余物后得到了兩種氧化物，一種為氧化鉺，另一種為新元素的氧化物，他將這種新元素命名為“Ytterbium”，該名源自于最早發(fā)現(xiàn)鐿礦的瑞典Ytterby村。
不幸的是，不同的科學家從相同的實驗中獲得了不同的結(jié)果。法國化學家喬治·烏爾班（Georges Urbain）認為Ytterbium根本不是一種元素，而是兩種元素的混合物。1907年，他將Ytterbium分離成兩種元素，一種元素命名為Neoytterbium（即新鐿），另一種元素為Lutecium（即镥）。但化學家們考慮到德馬里尼亞發(fā)現(xiàn)鐿元素的功勞，最終將鐿元素命名為“Ytterbium”，并將“Lutecium”的拼寫改為“Lutetium”。
1937年，科學家通過將氯化鐿和鉀加熱在一起，制造了少量的鐿金屬，但這是不純的。直到1953年才獲得了純鐿金屬。
分布情況
稀土元素是分散親石元素，在海水和植物中的含量極微，主要集中于巖石圈，如花崗巖、堿性巖、堿性超基性巖以及各種礦物等。如輕稀土礦物有氟碳鈰礦、獨居石、鈰鈮鈣鈦礦等，重稀土礦物有磷釔礦、褐釔鈮礦、離子吸附型稀土礦等，重稀土礦物和獨居石中含有少量的鐿金屬。鐿在地殼中的分布為3.2 mg/kg，在海洋中的含量為8.2×10?? mg/L。
物質(zhì)結(jié)構(gòu)
電子構(gòu)型
Yb的原子序數(shù)為70，核外電子數(shù)共有70個，其原子電子構(gòu)型為1s22s22p?3s23p?3d1o4s24p?4d1o4f1?5s25p?6s2（[Xe]4f1?6s2）。Yb原子的4f軌道處于全滿的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。此時Yb金屬晶體中只有兩個6s電子參與成鍵，因此其熔點、升華晗都比相鄰元素的低，原子半徑和第三電離能卻比相鄰元素的大。
鐿也能夠失去電子成為氣態(tài)離子，如Yb?（[Xe]4f1?6s1）、Yb2?（[Xe]4f1?）、Yb3?（[Xe]4f13）。Yb3?是Yb非常重要的一種離子，因為Yb呈現(xiàn)的主要價態(tài)為+3價，此時，Yb失去一個4f電子，但4f軌道被外層的5s25p?惰氣殼層屏蔽著，因此在大部分的化學反應中均未被利用。
鐿屬于鑭系元素，具有鑭系收縮的特性。鑭系收縮是指鑭系元素的原子半徑和離子半徑是隨著原子序數(shù)的增大而減小的現(xiàn)象，所產(chǎn)生的原因為內(nèi)層電子對外層電子以及內(nèi)層電子之間的屏蔽作用不完全。且離子半徑的收縮比原子半徑的收縮要顯著地多，這是因為鑭系金屬原子失去最外層的6s電子后，4f軌道則處于次外層的，這種狀態(tài)的4f軌道比原子中的4f軌道對核電荷的屏蔽作用小，從而離子半徑的收縮比原子半徑的收縮顯著地多。
晶體結(jié)構(gòu)
Yb金屬在常溫常壓下為面心立方結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)為a=b=c=5.468，α=β=γ=90°。但是當壓力在1.1 GPa及以下時，Yb為半金屬態(tài)，當壓力為1.1-3.9 GPa之間時，Yb為本征半導態(tài)，當壓力大于3.9 GPa時，Yb又回到金屬態(tài)，但晶體結(jié)構(gòu)從面心立方結(jié)構(gòu)向體心立方轉(zhuǎn)變。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
鐿在常溫常壓下是一種銀色固體，其熔點為819 °C，沸點為1196 °C，常溫下密度為6.90 g/cm3，升華熱為152.3 kJ/mol，不溶于水和堿，易溶于稀酸。鐿金屬質(zhì)地柔軟，具有良好的延展性和可塑性。鐿金屬的導電性能較低且為順磁性金屬。
稀土元素根據(jù)質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)被分為輕稀土金屬（又稱為鈰組稀土元素）和重稀土金屬（又稱為釔組稀土金屬），鐿屬于重稀土金屬
同位素
鐿已被發(fā)現(xiàn)多種同位素，質(zhì)量數(shù)從148到185不等，其中有7種同位素能夠穩(wěn)定存在，即1??Yb、1?oYb、1?1Yb、1?2Yb、1?3Yb、1??Yb、1??Yb。鐿同位素在多個領域均有應用，如1??Yb能夠作為伽馬相機的輻射源，應力傳感器可以制作成光晶格原子鐘。
表2：鐿同位素的質(zhì)量數(shù)和半衰期
鐿同位素 | 質(zhì)量數(shù) | 半衰期 |
1??Yb | 148 | 250 ms |
1??Yb | 149 | 700 ms |
1?oYb | 150 | 700 ms |
1?1Yb | 151 | 1.6 s |
1?2Yb | 152 | 3.03 s |
1?3Yb | 153 | 4.2 s |
1??Yb | 154 | 409 ms |
1??Yb | 155 | 1.793 s |
1??Yb | 156 | 26.1 s |
1??Yb | 157 | 38.6 s |
1??Yb | 158 | 1.49 m |
1??Yb | 159 | 1.67 m |
1?oYb | 160 | 4.8 m |
1?1Yb | 161 | 4.2 m |
1?2Yb | 162 | 18.87 m |
1?3Yb | 163 | 11.05 m |
1??Yb | 164 | 75.8 m |
1??Yb | 165 | 9.9 m |
1??Yb | 166 | 56.7 h |
1??Yb | 167 | 17.5 m |
1??Yb | 168 | 穩(wěn)定 |
1??Yb | 169 | 46 s |
1?oYb | 170 | 穩(wěn)定 |
1?1Yb | 171 | 穩(wěn)定 |
1?2Yb | 172 | 穩(wěn)定 |
1?3Yb | 173 | 穩(wěn)定 |
1??Yb | 174 | 穩(wěn)定 |
1??Yb | 175 | 4.185 d |
1??Yb | 176 | 穩(wěn)定 |
1??Yb | 177 | 1.911 h |
1??Yb | 178 | 74 m |
1??Yb | 179 | 8.0 m |
1?oYb | 180 | 2.4 m |
1?1Yb | 181 | 1 m |
1?2Yb | 182 | 30 s |
1?3Yb | 183 | 30 s |
1??Yb | 184 | 7 s |
1??Yb | 185 | 5 s |
化學性質(zhì)
稀土金屬鐿的化學性質(zhì)都很活潑，僅次于堿金屬和堿土金屬，因此金屬單質(zhì)保存時應在表面涂蠟或保存在煤油、惰性氣體中，以避免氧化。鐿具有較強的還原能力，還原能力接近于鎂金屬，能夠與鹵素、氧、硫、氮、硼等多種非金屬元素發(fā)生還原反應。稀土金屬與稀鹽酸、稀硝酸、稀硫酸等稀酸的反應劇烈，但不與堿作用。
化合物
Yb在化合物中主要呈現(xiàn)的價態(tài)為+2價和+3價。金屬離子Yb3?具有f13結(jié)構(gòu)，主要吸收紅外光，化合物基本都為無色。常見的化合物有氧化鐿（Yb?O?）、氫氧化鐿（Yb(OH)?）、氯化鐿（YbCl?）、草酸鐿（Yb?(C?O?)?）等。Yb?O?難溶于水而易溶于酸中，可以吸收空氣中的CO?生成堿式碳酸鹽，除以之外，Yb的草酸鹽、碳酸鹽、硝酸鹽等鹽加熱分解也可得到Y(jié)b?O?。Yb（III）鹽類與NaOH反應可得到Y(jié)b(OH)?，其堿性與堿土金屬的氫氧化物相近，且在高壓加熱環(huán)境下與濃氫氧化鈉反應生成Na?Yb(OH)?。Yb?(C?O?)?既不溶于水，也難溶于稀酸，灼燒Yb?(C?O?)?可得Yb?(CO?)?。
配合物
Yb常常形成Yb3?與配體形成絡合物，且此時的相互作用力以靜電作用為主。由于Yb的半徑比過渡元素大，所以形成配合物的能力小于過渡元素，但Yb3?的電荷比堿土金屬大，因此配位能力高于堿土金屬。Yb的外層空軌道多，導致Yb3?的配位數(shù)一般較大，配位數(shù)從6-12不等。由于Yb的配位數(shù)較高，因為稀土金屬有機化合物不遵循18電子規(guī)則。由于Yb與不同配位原子的絡合能力也不同，在一般情況下，絡合能力排序為O>N>S。Yb還可以與兩種及以上配體形成絡合物，如Yb(o-CIBA)?phen（CIBA為鄰氯苯甲酸，phen為1,10-鄰菲啰啉）中鄰氯苯甲酸的O原子和鄰菲啰啉的N原子均參與了配物，且該配合物對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌具有抑制活性的作用。除此之外，Yb還可以與某些配體形成穩(wěn)定的螯合物，如Yb(EDTA)（EDTA為乙二胺四乙酸）。
制備方法
鐿與其他稀土一起存在于許多稀有礦物中，除了一些重稀土礦物中含有少量的鐿元素，獨居石中也含有微量的鐿金屬，約占獨居石質(zhì)量分數(shù)的0.03%。
以下以獨居石和離子吸附型稀土礦為例，介紹從中提取稀土金屬并分離得到鐿金屬的方法。
提取稀土金屬法
獨居石的分離冶煉
濃硫酸分解法
濃硫酸分解法是一種常用的從獨居石中提取稀土的方法，首先將獨居石與濃硫酸混合焙燒，然后加水浸出得到稀土硫酸復鹽，再加入氫氧化鈉使稀土硫酸復鹽轉(zhuǎn)化為氫氧化物，固液分離后留下固體加鹽酸溶解得到混合稀土的氯化物。該方法具有工藝適應性強、對礦物質(zhì)要求低等優(yōu)點，但大量使用濃硫酸不僅會腐蝕設備，而且污染環(huán)境不環(huán)保。以下為稀土金屬（RE）的主要分解反應：
氫氧化鈉分解法
氫氧化鈉分解法是先將獨居石研磨至細小狀，加氫氧化鈉后加熱分解，固液分離后取固體酸溶，最后經(jīng)過濃縮等工藝后得到氯化稀土、氯化釷以及氯化鈾等的方法。釷、鈾金屬會在后續(xù)的提取過程中與稀土金屬分離。這種方法相比于濃硫酸分解法，設備使用時間可增長，稀土回收率高，還能回收獨居石中的磷。以下為稀土金屬D主要反應：
雖然濃硫酸法和氫氧化鈉分解法都能有效地從獨居石中提取稀土，但是這兩種方法都存在這廢水、廢渣、廢氣量較大的問題，污染環(huán)境不環(huán)保。因此科學家已經(jīng)開發(fā)出加鹽焙燒法、微波輔助法等，但這些方法尚未工業(yè)化。
離子吸附型稀土礦的分離冶煉
離子吸附稀土礦是一種重稀土富集物，含稀土氧化物90％以上，其中包含少量的鐿金屬，因此不需要對離子吸附稀土礦進行富集這一步驟。只需要加鹽酸溶解得到混合氯化稀土溶液，在采用皂化P507、環(huán)烷酸等萃取劑進行萃取分離即可得到單一的稀土化合物。
分離稀土金屬
離子交換法
離子交換法是利用稀土金屬與某種配體（如EDTA）形成具有不同穩(wěn)定性的絡合物，這些絡合物與離子交換樹脂的吸附性不同，再利用淋洗劑沖洗串聯(lián)樹脂柱，根據(jù)不同稀土離子的洗脫時間不同從而將稀土元素分離的方法。一般情況下，絡合物的穩(wěn)定性隨稀土原子序數(shù)的增大而提高。可以使用不同的離子交換樹脂（如陽離子交換樹脂床、陰離子交換樹脂床、混合床等）和淋洗劑得到所需的稀土元素，該方法已經(jīng)應用于工業(yè)規(guī)模。為促進稀土絡合物的解絡、減少稀土與樹脂的交換次數(shù)以及提高稀土的分離度，常常在分離過程中加入能與淋洗劑形成更穩(wěn)定的離子（如Cu2?）作為延緩劑。
溶劑萃取法
溶劑萃取法是利用稀土金屬離子在萃取劑的分配系數(shù)不同，從而導致各種離子洗脫時間不同的方法。在稀土離子分離過程中，鐿、銩、镥常常會混合在一起，因此需采用合適的萃取劑對鐿、銩、镥進行分離。早期先利用2-乙基己基膦酸單2-乙基己酯（P507）對重稀土進行分離，后利用二（2,4,4-三甲基戊基）磷酸（Cyanex272）對銩、鐿、镥進行分離。雖然Cyanex272萃取劑可以降低萃取平衡酸度，但是具有易乳化、成本高等問題。之后發(fā)現(xiàn)環(huán)烷酸等羧酸體系也實現(xiàn)了銩、鐿、镥的高純分離。除此之外，還可以利用鐿易變價，采取電化學和萃取體系結(jié)合分離稀土元素。
高純鐿金屬的制備
鑭熱還原-蒸餾法
鑭熱還原-蒸餾法利用金屬鑭（La）與氧化鐿（Yb?O?）在高溫真空環(huán)境下發(fā)生置換反應生成金屬鐿（Yb）和氧化鑭（La?O?），再利用高溫蒸餾使產(chǎn)物相分離得到高純鐿的方法。在此過程中，反應溫度、設備、蒸餾次數(shù)等因素均會影響產(chǎn)物鐿的純度。
鈣熱直接還原法
熔鹽電解法
熔鹽電解法可分為氧化物電解法和氯化物電解法，二者主要區(qū)別為熔鹽體系不同，氧化物電解是以RF?-LiF作為熔鹽，而氯化物電解是采用熔鹽RCl?-KCl，其余工藝大致相同。以石墨為陽極，鎢棒為陰極，在高溫下電解，電解過程中加入氧化鐿/氯化鐿，最終得到液態(tài)稀土鐿，澆鑄冷卻后成塊狀金屬。由于氯化物電解法過程中會產(chǎn)生氯氣污染環(huán)境，已逐漸被氧化物電解法所取代。
應用領域
在光纖激光方面的應用
鐿離子（Yb3?）具有能級簡單、熒光壽命長、儲能高等優(yōu)點，可以將鐿的硼酸鹽、磷酸鹽或氟酸鹽等摻雜在激光玻璃之中，制作成光纖激光器和光纖放大器。除此之外，鐿還可以摻雜在陶瓷之中，制備成透明激光陶瓷，該透明陶瓷也能制作成激光器。如摻Y(jié)b3?氧化鑭釔透明激光陶瓷具有較長的熒光壽命、較大的吸收界面、較高的激光效率，是一種良好的固體激光介質(zhì)。
光通信
在光纖通信傳輸效率提高中起到十分重要的是光纖放大器，摻鐿鉺光纖放大器具有抗電磁干擾、電光轉(zhuǎn)換效率高、降低了信號光源對功率的要求、免調(diào)試維護等優(yōu)勢，已經(jīng)實際應用于光通信之中。若能提高摻鐿鉺光纖材料的耐輻照性，則會拓展其在空間通信的應用。
材料加工
摻鐿雙包層光纖激光器也可作為激光加工設備，對材料進行切割、焊接、精密打孔、雕刻、激光打標等加工。與傳統(tǒng)的激光器相比，鐿光纖激光器具有體重變輕、體積變小、提高了加工效率和質(zhì)量、運行費用低以及維護周期變長等優(yōu)點。如激光打標是一種利用激光在材料表面刻蝕出永久性的圖案，已經(jīng)廣泛應用于電腦配件、鐘表、家電、首飾、汽車零件等之中。除此之外，鐿光纖激光器還可以微加工一些醫(yī)療設備，例如治療閉塞性疾病的擴張器、心血管支架等儀器。
在合金材料方面的應用
鐿是一種稀土元素，由于其獨特的電子結(jié)構(gòu)使得往合金中加入適當量的鐿，會提高合金在某方面的性能。如鎳磷（Ni-P）合金可以鍍在各種金屬、陶瓷等材料表面上，提高材料的耐腐蝕性和耐磨性。而在Ni-P合金中加入適量的Yb，可以使鍍層表面更加均勻平整，提高合金的耐腐蝕性和熱處理合金鍍層表面的硬度。鎂鋁（Mg-Al）合金具有良好的耐腐蝕性和可焊接性，可用于艦艇、汽車、飛機板焊接件等，在Mg-Al合金中加入適量的Yb會提高合金的抗拉強度和屈服強度。鑭鎂鎳（La-Mg-Ni）合金是一種儲氫合金電極，往其中摻入適量的Yb?O?粉末會使該電極的循環(huán)穩(wěn)定性提高，可惜會降低電極放電容量。
在其他方面的應用
由于鐿元素具有良好的壓阻特性，其壓阻系數(shù)較高，可制作成應力傳感器，記錄應力作用于材料的過程。鐿應力傳感器可以應用于研究靜水高壓試驗、水下爆轟試驗等。鐿（1?1Yb）還可以制作成晶格原子鐘，冷鐿原子光鐘具有極好的頻率穩(wěn)定度。
安全事宜
圖示 |  |  |
圖意 | 易燃的 | 刺激性 |
GHS分類
H228（89.13%）：易燃固體
H250（10.87%）：暴露在空氣中會自燃
H252（10.87%）：大量自熱；可能著火
H302（89.13%）：吞食有害
H312（89.13%）：與皮膚接觸有害
H315（86.96%）：引起皮膚刺激
H319（86.96%）：導致嚴重眼部刺激
H332（89.13%）：吸入有害
H335（100%）：可能導致呼吸道刺激
健康安全
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