Ytterbium wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) erzeugt, der in AGB-Sternen (asymptotischer Riesenast) mit niedriger bis mittlerer Masse stattfindet. Als schweres Lanthanid mit gerader Ordnungszahl (Z=70) wird es effizient durch diesen Prozess produziert. Im Gegensatz zu leichteren Lanthaniden wie Europium zeigt Ytterbium einen sehr geringen Beitrag des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang), der auf weniger als 10-15% seiner solaren Häufigkeit geschätzt wird. Dies macht Ytterbium zusammen mit Lutetium zu einem der reinsten Tracer des s-Prozesses unter den Seltenen Erden.
Die kosmische Häufigkeit von Ytterbium beträgt etwa 8,0×10⁻¹³ mal die von Wasserstoff in der Anzahl der Atome, was es etwa 4-mal häufiger als Thulium, aber 2-mal seltener als Holmium macht. Aufgrund seiner geraden Ordnungszahl folgt es der Oddo-Harkins-Regel und ist häufiger als seine ungeraden Nachbarn (Thulium-69 und Lutetium-71). Seine Position am Ende der Lanthanidreihe macht es zu einem wichtigen Indikator für die Effizienz des s-Prozesses bei der Erzeugung der schwersten Elemente.
Ytterbium ist eines der bevorzugten Elemente zur Untersuchung des s-Prozesses in der Astrophysik. Das Ytterbium/Europium-Verhältnis (Yb/Eu) in Sternen ist ein besonders empfindlicher Indikator für den relativen Beitrag der s- und r-Prozesse. Ein hohes Yb/Eu-Verhältnis ist charakteristisch für Sterne, die mit s-Prozess-Elementen angereichert sind, wie z.B. Bariumsterne. Ytterbium wird auch verwendet, um Nukleosynthese-Modelle in AGB-Sternen einzuschränken, da seine relative Häufigkeit im Vergleich zu anderen s-Prozess-Elementen (wie Barium, Lanthan oder Cer) von den physikalischen Bedingungen (Temperatur, Neutronendichte) in diesen Sternen abhängt.
Ytterbium wurde in vielen Sternen, einschließlich metallarmer Sterne, dank seiner relativ zugänglichen Spektrallinien (insbesondere die des Yb-II-Ions) nachgewiesen. Diese Messungen haben es ermöglicht, die Geschichte der s-Prozess-Produktion in der Galaxie nachzuverfolgen. In Meteoriten zeigt Ytterbium Häufigkeiten ähnlich denen der Sonne, aber feine isotopische Studien haben Anomalien aufgedeckt, die Informationen über die stellaren Quellen liefern, die zur solaren Nebel beigetragen haben. Ytterbium wird auch in der Geochemie als Tracer für magmatische und metamorphe Prozesse verwendet.
Ytterbium erhielt seinen Namen, wie mehrere andere Seltene Erden, vom schwedischen Dorf Ytterby auf der Insel Resarö in der Nähe von Stockholm. Ytterby, was auf Schwedisch "äußeres Dorf" bedeutet, ist berühmt für seinen Feldspatsteinbruch, der Minerale mit vielen Seltenen Erden lieferte. Vier Elemente tragen Namen, die von Ytterby abgeleitet sind: Yttrium (Y), Terbium (Tb), Erbium (Er) und Ytterbium (Yb). Ytterbium teilt sich diesen geografischen Ursprung mit anderen Elementen, die in denselben Erzen entdeckt wurden.
Ytterbium wurde 1878 vom Schweizer Chemiker Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) entdeckt, der auch Gadolinium entdeckte. Bei der Arbeit an dem, was man für Erbia (Erbiumoxid) aus Gadolinit von Ytterby hielt, beobachtete Marignac, dass dieses Oxid tatsächlich zwei verschiedene Seltene Erden enthielt. Er isolierte ein neues Oxid, das er "Ytterbia" nannte und das er für das Oxid eines neuen Elements hielt. Marignac war ein Experte für Kristallographie und Dichtemessungen, Techniken, die er einsetzte, um Ytterbia von Erbia zu unterscheiden.
Jahrzehntelang wurde Marignacs "Ytterbia" als Oxid eines einzigen Elements betrachtet. 1907 jedoch zeigten der französische Chemiker Georges Urbain und unabhängig davon der österreichische Chemiker Carl Auer von Welsbach, dass Ytterbia tatsächlich zwei Elemente enthielt. Urbain nannte sie Neo-Ytterbium und Lutetium, während von Welsbach sie Aldebaranium und Cassiopeium nannte. Schließlich wurden die Namen "Ytterbium" für das häufigere Element (ehemals Neo-Ytterbium) und "Lutetium" für das andere international übernommen. Diese Trennung war schwierig, weil die beiden Elemente extrem ähnliche chemische Eigenschaften haben.
Ytterbium ist in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 3,0 ppm (parts per million) vorhanden, was es zu einem der seltensten Lanthanide macht, vergleichbar mit Holmium und Thulium. Die wichtigsten Ytterbium-haltigen Erze sind Bastnäsit ((Ce,La,Nd,Yb)CO₃F) und Monazit ((Ce,La,Nd,Yb,Th)PO₄), in denen es typischerweise 0,1 bis 0,5% des gesamten Gehalts an Seltenen Erden ausmacht, und Xenotim (YPO₄), in dem es konzentrierter sein kann. Ytterbium ist auch in Euxenit und Gadolinit vorhanden.
Die weltweite Produktion von Ytterbiumoxid (Yb₂O₃) beträgt etwa 50 bis 100 Tonnen pro Jahr, was es zu einem der am wenigsten produzierten Seltenen Erden macht. Aufgrund seiner Seltenheit und hochwertigen Spezialanwendungen ist Ytterbium eines der teuersten Seltenen Erden, mit typischen Preisen von 500 bis 1.500 Dollar pro Kilogramm Oxid (mit erheblichen Schwankungen). China dominiert die Produktion mit über 90% des weltweiten Gesamtvolumens.
Metallisches Ytterbium wird hauptsächlich durch metallothermische Reduktion von Ytterbiumfluorid (YbF₃) mit metallischem Calcium in einer inerten Argonatmosphäre oder durch Reduktion des Oxids mit Lanthan hergestellt. Die jährliche weltweite Produktion von metallischem Ytterbium beträgt nur wenige Tonnen. Das Recycling von Ytterbium ist aufgrund der geringen verwendeten Mengen sehr begrenzt, könnte aber mit der Entwicklung von Laseranwendungen und Atomuhren an Bedeutung gewinnen.
Ytterbium (Symbol Yb, Ordnungszahl 70) ist das vierzehnte und vorletzte Element der Lanthanidreihe und gehört zu den Seltenen Erden des f-Blocks des Periodensystems. Sein Atom hat 70 Protonen, in der Regel 104 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{174}\mathrm{Yb}\)) und 70 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 6s². Diese Konfiguration weist eine vollständig gefüllte 4f-Unterschale (14 Elektronen) auf, was Ytterbium eine besondere Stabilität und distincte chemische Eigenschaften verleiht.
Ytterbium ist ein silbernes, glänzendes, weiches, formbares und dehnbares Metall. Es hat bei Raumtemperatur eine kubisch-flächenzentrierte (kfz) Kristallstruktur, was unter den Lanthaniden ungewöhnlich ist, die normalerweise eine hexagonale dichteste Kugelpackung (hdp) annehmen. Diese kfz-Struktur trägt zu einigen seiner distincten physikalischen Eigenschaften bei. Ytterbium hat die niedrigste Dichte unter den Lanthaniden (6,90 g/cm³) und eine relativ hohe Kompressibilität.
Ytterbium schmilzt bei 824 °C (1097 K) und siedet bei 1196 °C (1469 K). Diese Schmelz- und Siedepunkte sind die niedrigsten aller Lanthanide, ähnlich denen von Europium. Ytterbium durchläuft bei 798 °C eine allotrope Umwandlung, bei der seine Kristallstruktur von kubisch-flächenzentriert (kfz) zu kubisch-raumzentriert (krz) wechselt. Ytterbium ist bei Raumtemperatur diamagnetisch (im Gegensatz zu den meisten Lanthaniden, die paramagnetisch sind) aufgrund seiner vollständigen 4f¹⁴-Elektronenkonfiguration, die keine ungepaarten Elektronen aufweist.
Ytterbium ist an trockener Luft bei Raumtemperatur relativ stabil, oxidiert aber langsam zu Yb₂O₃. Es oxidiert schneller, wenn es erhitzt wird, und verbrennt zu Oxid: 4Yb + 3O₂ → 2Yb₂O₃. Ytterbium reagiert langsam mit kaltem Wasser und schneller mit heißem Wasser unter Bildung von Ytterbium(III)-hydroxid Yb(OH)₃ und Freisetzung von Wasserstoff. Es löst sich leicht in verdünnten Mineralsäuren. Das Metall muss unter Mineralöl oder in einer inerten Atmosphäre aufbewahrt werden.
Schmelzpunkt von Ytterbium: 1097 K (824 °C).
Siedepunkt von Ytterbium: 1469 K (1196 °C).
Kristallstruktur bei Raumtemperatur: Kubisch-flächenzentriert (kfz).
Dichte: 6,90 g/cm³ (die niedrigste unter den Lanthaniden).
Magnetische Eigenschaft: Diamagnetisch (vollständige 4f-Konfiguration).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ytterbium-168 — \(\,^{168}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 98 | 167,933897 u | ≈ 0,13 % | Stabil | Leichtestes stabiles Isotop, doppelt magisch (Protonen und Neutronen in vollständigen Schalen). |
| Ytterbium-170 — \(\,^{170}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 100 | 169,934761 u | ≈ 3,04 % | Stabil | Stabiles Isotop, das als Ziel zur Herstellung des Tm-170-Isotops für die Medizin verwendet wird. |
| Ytterbium-171 — \(\,^{171}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 101 | 170,936326 u | ≈ 14,28 % | Stabil | Stabiles Isotop mit Kernspin 1/2, verwendet in optischen Gitter-Atomuhren. |
| Ytterbium-172 — \(\,^{172}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 102 | 171,936382 u | ≈ 21,83 % | Stabil | Stabiles Isotop, eines der häufigsten in der natürlichen Mischung. |
| Ytterbium-173 — \(\,^{173}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 103 | 172,938211 u | ≈ 16,13 % | Stabil | Stabiles Isotop mit Kernspin 5/2. |
| Ytterbium-174 — \(\,^{174}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 104 | 173,938862 u | ≈ 31,83 % | Stabil | Häufigstes stabiles Isotop in der Natur (etwa 32%). |
| Ytterbium-176 — \(\,^{176}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 106 | 175,942572 u | ≈ 12,76 % | Stabil | Schwerstes stabiles Isotop, das etwa 13% der natürlichen Mischung ausmacht. |
N.B. :
Elektronenschalen: Wie die Elektronen um den Kern organisiert sind.
Ytterbium hat 70 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 6s² hat eine vollständig gefüllte 4f-Unterschale mit 14 Elektronen. Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(2), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 6s².
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur Elektronenabschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Diese Schale bildet eine stabile Struktur.
O-Schale (n=5): enthält 32 Elektronen, verteilt als 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁰. Die vollständig gefüllte 4f-Unterschale (14 Elektronen) verleiht Ytterbium seine Stabilität und diamagnetischen Charakter.
P-Schale (n=6): enthält 2 Elektronen in der 6s²-Unterschale. Diese Elektronen sind die äußeren Valenzelektronen von Ytterbium.
Ytterbium hat effektiv 16 Valenzelektronen: vierzehn 4f¹⁴-Elektronen und zwei 6s²-Elektronen. Ytterbium zeigt zwei stabile Oxidationszustände: +2 und +3. Der +3-Zustand ist der häufigste, bei dem Ytterbium seine beiden 6s-Elektronen und ein 4f-Elektron verliert, um das Yb³⁺-Ion mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹³ zu bilden. Dieses Ion ist paramagnetisch und zeigt lumineszierende Eigenschaften.
Der +2-Zustand ist für Ytterbium besonders stabil aufgrund der vollständigen 4f¹⁴-Konfiguration des Yb²⁺-Ions (Konfiguration [Xe] 4f¹⁴). Diese vollbesetzte Schalenkonfiguration bietet eine außergewöhnliche Stabilität, ähnlich der von Edelgasen. Ytterbium(II)-Verbindungen wie YbI₂ (Ytterbiumdiiodid), YbCl₂ und YbSO₄ sind daher relativ stabil und weniger reduzierend als zweiwertige Verbindungen anderer Lanthanide. In wässriger Lösung ist Yb²⁺ ein mäßiges Reduktionsmittel, das sich in Gegenwart von Luft langsam zu Yb³⁺ oxidiert.
Diese Fähigkeit, in zwei Oxidationszuständen zu existieren, macht Ytterbium im chemischen Verhalten dem Europium ähnlich. Ytterbium(II) ist jedoch noch stabiler als Europium(II) aufgrund der vollständig gefüllten 4f-Unterschale. Diese reiche Redoxchemie wird in bestimmten katalytischen und elektrochemischen Anwendungen genutzt.
Metallisches Ytterbium ist an trockener Luft bei Raumtemperatur relativ stabil und bildet eine dünne Schutzschicht aus Yb₂O₃. Bei hohen Temperaturen (über 200 °C) oxidiert es schnell und verbrennt zu Oxid: 4Yb + 3O₂ → 2Yb₂O₃. Ytterbium(III)-oxid ist ein weißer Feststoff mit einer kubischen C-Seltenen-Erden-Struktur. In feiner Pulverform ist Ytterbium pyrophor und kann sich in Luft spontan entzünden.
Ytterbium reagiert langsam mit kaltem Wasser und schneller mit heißem Wasser unter Bildung von Ytterbium(III)-hydroxid Yb(OH)₃ und Freisetzung von Wasserstoffgas: 2Yb + 6H₂O → 2Yb(OH)₃ + 3H₂↑. Das Hydroxid fällt als gallertartiger, weißer Feststoff mit geringer Löslichkeit aus. Wie bei anderen Lanthaniden ist die Reaktion nicht heftig, aber über die Zeit beobachtbar.
Ytterbium reagiert mit allen Halogenen unter Bildung der entsprechenden Trihalogenide im +3-Zustand: 2Yb + 3F₂ → 2YbF₃ (weißes Fluorid); 2Yb + 3Cl₂ → 2YbCl₃ (weißes Chlorid). Unter geeigneten Bedingungen kann es auch Ytterbium(II)-Dihalogenide bilden: Yb + I₂ → YbI₂. Ytterbium löst sich leicht in verdünnten Mineralsäuren unter Freisetzung von Wasserstoff und Bildung der entsprechenden Yb³⁺-Salze: 2Yb + 6HCl → 2YbCl₃ + 3H₂↑.
Ytterbium reagiert mit Wasserstoff bei mäßigen Temperaturen (300-400 °C) unter Bildung von YbH₂-Hydrid, dann YbH₃ bei höheren Temperaturen. Mit Schwefel bildet es Yb₂S₃-Sulfid. Es reagiert mit Stickstoff bei hohen Temperaturen (>1000 °C) unter Bildung von YbN-Nitrid und mit Kohlenstoff unter Bildung von YbC₂-Carbid. Ytterbium bildet auch viele Koordinationskomplexe mit organischen Liganden, insbesondere im +3-Zustand.
Das Yb³⁺-Ion zeigt interessante lumineszierende Eigenschaften im nahen Infrarot. Es besitzt einen einfachen elektronischen Übergang (²F₇/₂ → ²F₅/₂) bei etwa 980 nm, der in Lasern und optischen Verstärkern genutzt wird. Dieser Übergang weist ein breites Absorptions- und Emissionsspektrum, eine hohe Quanteneffizienz und einen geringen Verlust durch spontane Emission auf, was es zu einem hervorragenden aktiven Medium für Hochleistungslaser macht. Yb³⁺ wird auch als Sensibilisator in einigen phosphoreszierenden Materialien verwendet, die ihre Energie auf andere Lanthanid-Ionen wie Erbium oder Thulium übertragen.
Die fortschrittlichste und präziseste Anwendung von Ytterbium ist seine Verwendung in optischen Gitter-Atomuhren. Diese Uhren verwenden lasergekühlte Ytterbium-171-Atome, die in einem optischen Gitter gefangen sind, das durch interferierende Laser erzeugt wird. Der verwendete Übergang ist der elektronische Übergang ¹S₀ → ³P₀ von Ytterbium-171 bei einer Frequenz von 518 THz (Wellenlänge 578 nm) im sichtbaren Bereich. Dieser Übergang ist extrem schmal und unempfindlich gegenüber externen Störungen, was eine außergewöhnliche Stabilität und Präzision ermöglicht.
Ytterbium-Uhren gehören zu den präzisesten, die jemals entwickelt wurden. Sie erreichen eine relative Stabilität in der Größenordnung von 10⁻¹⁸, was bedeutet, dass sie über das Alter des Universums (13,8 Milliarden Jahre) hinweg nur eine Sekunde abweichen würden. Diese außergewöhnliche Präzision hat Anwendungen in:
Yb:YAG-Laser sind Hochleistungs-Festkörperlaser, die bei etwa 1030 nm emittieren. Sie bieten mehrere Vorteile gegenüber traditionelleren Nd:YAG-Lasern:
Ytterbium-dotierte Faserlaser und -verstärker (YDFL, YDFA) sind in der Telekommunikation und industriellen Materialbearbeitung extrem wichtig. Sie bieten hervorragende Strahlqualität, hohe Leistung, hohe Effizienz und Kompaktheit. Ytterbium-Faserverstärker werden zur Signalverstärkung in optischen Kommunikationsnetzwerken eingesetzt. Ytterbium-Faserlaser werden zum Schneiden von Metallen (insbesondere in der Automobil- und Luftfahrtindustrie) und zum Markieren verwendet.
Kleine Mengen Ytterbium (in der Regel weniger als 0,1%) werden bestimmten Edelstählen zugesetzt, um die Korngröße zu verfeinern und die mechanischen Eigenschaften, insbesondere Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, zu verbessern. Ytterbium wirkt als Desoxidationsmittel und verändert die Bildung von Einschlüssen, was zu einer feineren und gleichmäßigeren Mikrostruktur führt.
Ytterbium-basierte Dehnungsmessstreifen nutzen die Eigenschaft bestimmter Ytterbium-Verbindungen, ihren elektrischen Widerstand unter mechanischer Spannung zu ändern. Diese Sensoren werden zur Messung von Verformungen in kritischen Strukturen (Brücken, Flugzeuge, Pipelines) mit hoher Empfindlichkeit und Stabilität eingesetzt.
Das Isotop Ytterbium-169 (¹⁶⁹Yb) wird als tragbare Gammastrahlungsquelle für die industrielle zerstörungsfreie Prüfung verwendet. Yb-169 emittiert Gammastrahlen niedriger Energie (hauptsächlich 63 keV, 110 keV, 130 keV, 177 keV und 198 keV), die ideal für die Inspektion von Leichtmaterialien (Aluminium, Verbundwerkstoffe) und dünnen Schweißnähten sind. Seine Halbwertszeit von 32 Tagen ist für den industriellen Einsatz praktisch.
Ytterbium(II)-Verbindungen, insbesondere Ytterbiumdiiodid (YbI₂), werden als milde Reduktionsmittel in der organischen Synthese verwendet. Sie können selektive Reduktionen bestimmter funktioneller Gruppen durchführen, ohne andere Teile des Moleküls zu beeinflussen. Metallisches Ytterbium wird auch als Reduktionsmittel bei der Herstellung anderer hochreiner Metalle eingesetzt.
Ytterbium und seine Verbindungen weisen eine geringe chemische Toxizität auf, vergleichbar mit anderen Lanthaniden. Lösliche Salze können Haut-, Augen- und Atemwegsreizungen verursachen. Es wurden keine schweren akuten Toxizitäten oder karzinogenen Effekte nachgewiesen. Die LD50 (letale Dosis für 50% der Versuchstiere) von Ytterbiumsalzen bei Tieren ist ähnlich wie bei anderen Seltenen Erden (typischerweise >500 mg/kg). Ytterbium hat keine bekannte biologische Rolle.
Wie andere Lanthanide reichert sich Ytterbium bei Exposition bevorzugt in Leber und Knochen an und wird sehr langsam ausgeschieden. Die Exposition der Allgemeinbevölkerung ist extrem gering und beschränkt sich hauptsächlich auf Arbeiter in den betreffenden Industrien.
Für das in industriellen Strahlungsquellen verwendete Isotop Yb-169 sind Strahlenschutzmaßnahmen erforderlich. Die niedrige Energie der Gammastrahlen erleichtert die Abschirmung (einige Millimeter Blei reichen aus), es sind jedoch Vorsichtsmaßnahmen gegen externe Exposition erforderlich. Für Yb-171, das in Atomuhren verwendet wird, ist die Aktivität in der Regel sehr gering und stellt kein signifikantes Risiko dar.
Die spezifischen Umweltauswirkungen von Ytterbium sind aufgrund der sehr geringen produzierten und verwendeten Mengen minimal. Das Recycling von Ytterbium ist begrenzt, könnte aber mit der Entwicklung von Laseranwendungen und Atomuhren an Bedeutung gewinnen. Die Recyclingtechniken wären denen anderer Seltener Erden ähnlich. Abfälle, die radioaktive Ytterbium-Isotope (Yb-169, Yb-175) enthalten, müssen als schwach radioaktiver Abfall behandelt werden.
Berufliche Exposition tritt in Produktionsstätten für Seltene Erden, Forschungslaboren für Atomuhren und Industrien auf, die Yb-Laser oder Yb-169-Quellen verwenden. Standardvorsichtsmaßnahmen für Metallstäube und Strahlenschutz (falls zutreffend) gelten.
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