L'ytterbium est synthétisé dans les étoiles principalement par le processus s (capture lente de neutrons) qui se produit dans les étoiles AGB (géantes asymptotiques) de faible à moyenne masse. En tant que lanthanide lourd avec un numéro atomique pair (Z=70), il est produit efficacement par ce processus. Contrairement aux lanthanides plus légers comme l'europium, l'ytterbium présente une contribution très faible du processus r (capture rapide de neutrons), estimée à moins de 10-15% de son abondance solaire. Cela fait de l'ytterbium, avec le lutécium, l'un des traceurs les plus purs du processus s parmi les terres rares.
L'abondance cosmique de l'ytterbium est d'environ 8,0×10⁻¹³ fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes, ce qui le rend environ 4 fois plus abondant que le thulium mais 2 fois moins abondant que l'holmium. En raison de son numéro atomique pair, il suit la règle d'Oddo-Harkins et est plus abondant que ses voisins impairs (thulium-69 et lutécium-71). Sa position à la fin de la série des lanthanides en fait un indicateur important de l'efficacité du processus s pour produire les éléments les plus lourds.
L'ytterbium est l'un des éléments préférés pour étudier le processus s en astrophysique. Le rapport ytterbium/europium (Yb/Eu) dans les étoiles est un indicateur particulièrement sensible de la contribution relative des processus s et r. Un rapport Yb/Eu élevé est caractéristique des étoiles enrichies en éléments du processus s, comme les étoiles à baryum. L'ytterbium est également utilisé pour contraindre les modèles de nucléosynthèse dans les étoiles AGB, car son abondance relative par rapport à d'autres éléments du processus s (comme le baryum, le lanthane ou le cérium) dépend des conditions physiques (température, densité de neutrons) dans ces étoiles.
L'ytterbium a été détecté dans de nombreuses étoiles, y compris des étoiles pauvres en métaux, grâce à ses raies spectrales relativement accessibles (notamment les raies de l'ion Yb II). Ces mesures ont permis de retracer l'histoire de la production du processus s dans la Galaxie. Dans les météorites, l'ytterbium présente des abondances similaires à celles du soleil, mais des études isotopiques fines ont révélé des anomalies qui fournissent des informations sur les sources stellaires qui ont contribué à la nébuleuse solaire. L'ytterbium est également utilisé en géochimie comme traceur de processus magmatiques et métamorphiques.
L'ytterbium tire son nom, comme plusieurs autres terres rares, du village suédois de Ytterby sur l'île de Resarö près de Stockholm. Ytterby, qui signifie "village extérieur" en suédois, est célèbre pour sa carrière de feldspath qui a fourni des minéraux contenant de nombreuses terres rares. Quatre éléments portent des noms dérivés d'Ytterby : l'yttrium (Y), le terbium (Tb), l'erbium (Er) et l'ytterbium (Yb). L'ytterbium partage ainsi cette origine géographique avec d'autres éléments découverts dans les mêmes minerais.
L'ytterbium fut découvert en 1878 par le chimiste suisse Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894), qui découvrit également le gadolinium. En travaillant sur ce qu'on pensait être de l'erbia (oxyde d'erbium) provenant de la gadolinite d'Ytterby, Marignac observa que cet oxyde contenait en réalité deux terres rares distinctes. Il isola un nouvel oxyde qu'il nomma "ytterbia", qu'il pensait être l'oxyde d'un nouvel élément. Marignac était un expert en cristallographie et en mesures de densité, techniques qu'il utilisa pour distinguer l'ytterbia de l'erbia.
Pendant plusieurs décennies, la "ytterbia" de Marignac fut considérée comme l'oxyde d'un élément unique. Cependant, en 1907, le chimiste français Georges Urbain et indépendamment le chimiste autrichien Carl Auer von Welsbach démontrèrent que l'ytterbia contenait en réalité deux éléments. Urbain les nomma néo-ytterbium et lutécium, tandis que von Welsbach les nomma aldebaranium et cassiopeium. C'est finalement le nom "ytterbium" pour l'élément le plus abondant (anciennement néo-ytterbium) et "lutécium" pour l'autre qui furent adoptés internationalement. Cette séparation fut difficile car les deux éléments ont des propriétés chimiques extrêmement similaires.
L'ytterbium est présent dans la croûte terrestre à une concentration moyenne d'environ 3,0 ppm (parties par million), ce qui en fait l'un des lanthanides les plus rares, comparable à l'holmium et au thulium. Il est environ 6 fois moins abondant que l'erbium. Les principaux minerais contenant de l'ytterbium sont la bastnaésite ((Ce,La,Nd,Yb)CO₃F) et la monazite ((Ce,La,Nd,Yb,Th)PO₄), où il représente typiquement 0,1 à 0,5% de la teneur totale en terres rares, et la xénotime (YPO₄) où il peut être plus concentré. L'ytterbium est également présent dans l'euxénite et la gadolinite.
La production mondiale d'oxyde d'ytterbium (Yb₂O₃) est d'environ 50 à 100 tonnes par an, ce qui en fait l'une des terres rares les moins produites. En raison de sa rareté et de ses applications spécialisées à haute valeur ajoutée, l'ytterbium est l'une des terres rares les plus chères, avec des prix typiques de 500 à 1 500 dollars par kilogramme d'oxyde (avec des variations importantes). La Chine domine largement la production avec plus de 90% du total mondial.
L'ytterbium métallique est produit principalement par réduction métallothermique du fluorure d'ytterbium (YbF₃) avec du calcium métallique en atmosphère inerte d'argon, ou par réduction de l'oxyde avec du lanthane. La production annuelle mondiale d'ytterbium métallique est de quelques tonnes seulement. Le recyclage de l'ytterbium est très limité en raison des faibles quantités utilisées, mais pourrait devenir plus important avec le développement des applications laser et des horloges atomiques.
L'ytterbium (symbole Yb, numéro atomique 70) est le quatorzième et avant-dernier élément de la série des lanthanides, appartenant aux terres rares du bloc f de la classification périodique. Son atome possède 70 protons, généralement 104 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{174}\mathrm{Yb}\)) et 70 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 6s². Cette configuration présente une sous-couche 4f complètement remplie (14 électrons), ce qui confère à l'ytterbium une stabilité particulière et des propriétés chimiques distinctes.
L'ytterbium est un métal argenté, brillant, mou, malléable et ductile. Il présente une structure cristalline cubique faces centrées (CFC) à température ambiante, ce qui est inhabituel parmi les lanthanides qui adoptent généralement une structure hexagonale compacte (HC). Cette structure CFC contribue à certaines de ses propriétés physiques distinctives. L'ytterbium présente la densité la plus basse parmi les lanthanides (6,90 g/cm³) et une compressibilité relativement élevée.
L'ytterbium fond à 824 °C (1097 K) et bout à 1196 °C (1469 K). Ces points de fusion et d'ébullition sont les plus bas de tous les lanthanides, similaires à ceux de l'europium. L'ytterbium présente une transformation allotropique à 798 °C où sa structure cristalline passe de cubique faces centrées (CFC) à cubique centrée (CC). L'ytterbium est diamagnétique à température ambiante (contrairement à la plupart des lanthanides qui sont paramagnétiques) en raison de sa configuration électronique 4f¹⁴ complète qui ne présente pas d'électrons non appariés.
L'ytterbium est relativement stable à l'air sec à température ambiante, mais s'oxyde lentement pour former un oxyde Yb₂O₃. Il s'oxyde plus rapidement lorsqu'il est chauffé et brûle pour former l'oxyde : 4Yb + 3O₂ → 2Yb₂O₃. L'ytterbium réagit lentement avec l'eau froide et plus rapidement avec l'eau chaude pour former de l'hydroxyde d'ytterbium(III) Yb(OH)₃ et dégager de l'hydrogène. Il se dissout facilement dans les acides minéraux dilués. Le métal doit être conservé sous huile minérale ou en atmosphère inerte.
Le point de fusion de l'ytterbium : 1097 K (824 °C).
Le point d'ébullition de l'ytterbium : 1469 K (1196 °C).
Structure cristalline à température ambiante : Cubique faces centrées (CFC).
Densité : 6,90 g/cm³ (la plus basse parmi les lanthanides).
Propriété magnétique : Diamagnétique (configuration 4f complète).
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ytterbium-168 — \(\,^{168}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 98 | 167,933897 u | ≈ 0,13 % | Stable | Isotope stable le plus léger, doublement magique (protons et neutrons sur des couches complètes). |
| Ytterbium-170 — \(\,^{170}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 100 | 169,934761 u | ≈ 3,04 % | Stable | Isotope stable utilisé comme cible pour produire l'isotope Tm-170 pour la médecine. |
| Ytterbium-171 — \(\,^{171}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 101 | 170,936326 u | ≈ 14,28 % | Stable | Isotope stable avec spin nucléaire 1/2, utilisé dans les horloges atomiques à réseau optique. |
| Ytterbium-172 — \(\,^{172}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 102 | 171,936382 u | ≈ 21,83 % | Stable | Isotope stable, l'un des plus abondants dans le mélange naturel. |
| Ytterbium-173 — \(\,^{173}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 103 | 172,938211 u | ≈ 16,13 % | Stable | Isotope stable avec spin nucléaire 5/2. |
| Ytterbium-174 — \(\,^{174}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 104 | 173,938862 u | ≈ 31,83 % | Stable | Isotope stable le plus abondant dans la nature (environ 32%). |
| Ytterbium-176 — \(\,^{176}\mathrm{Yb}\,\) | 70 | 106 | 175,942572 u | ≈ 12,76 % | Stable | Isotope stable le plus lourd, représentant environ 13% du mélange naturel. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
L'ytterbium possède 70 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 6s² présente une sous-couche 4f complètement remplie avec 14 électrons. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(2), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 6s².
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3) : contient 18 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Cette couche complète contribue à l'écran électronique.
Couche N (n=4) : contient 18 électrons répartis en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Cette couche forme une structure stable.
Couche O (n=5) : contient 32 électrons répartis en 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁰. La sous-couche 4f complètement remplie (14 électrons) confère à l'ytterbium sa stabilité et son caractère diamagnétique.
Couche P (n=6) : contient 2 électrons dans la sous-couche 6s². Ces électrons sont les électrons de valence externe de l'ytterbium.
L'ytterbium possède effectivement 16 électrons de valence : quatorze électrons 4f¹⁴ et deux électrons 6s². L'ytterbium présente deux états d'oxydation stables : +2 et +3. L'état +3 est le plus commun, où l'ytterbium perd ses deux électrons 6s et un électron 4f pour former l'ion Yb³⁺ avec la configuration électronique [Xe] 4f¹³. Cet ion est paramagnétique et présente des propriétés luminescentes.
L'état +2 est particulièrement stable pour l'ytterbium en raison de la configuration 4f¹⁴ complète de l'ion Yb²⁺ (configuration [Xe] 4f¹⁴). Cette configuration à couche pleine confère une stabilité exceptionnelle, similaire à celle des gaz rares. Les composés d'ytterbium(II) comme YbI₂ (diiodure d'ytterbium), YbCl₂, et YbSO₄ sont donc relativement stables et moins réducteurs que les composés divalents d'autres lanthanides. En solution aqueuse, Yb²⁺ est un réducteur modéré qui s'oxyde lentement en Yb³⁺ en présence d'air.
Cette facilité à exister sous deux états d'oxydation rapproche l'ytterbium de l'europium dans son comportement chimique. Cependant, l'ytterbium(II) est encore plus stable que l'europium(II) en raison de la sous-couche 4f complètement remplie. Cette chimie redox riche est exploitée dans certaines applications catalytiques et électrochimiques.
L'ytterbium métallique est relativement stable à l'air sec à température ambiante, formant une fine couche d'oxyde protectrice de Yb₂O₃. À température élevée (au-dessus de 200 °C), il s'oxyde rapidement et brûle pour former l'oxyde : 4Yb + 3O₂ → 2Yb₂O₃. L'oxyde d'ytterbium(III) est un solide blanc avec une structure cubique de type C-rare earth (C-type sesquioxide). En poudre fine, l'ytterbium est pyrophorique et peut s'enflammer spontanément à l'air.
L'ytterbium réagit lentement avec l'eau froide et plus rapidement avec l'eau chaude pour former de l'hydroxyde d'ytterbium(III) Yb(OH)₃ et dégager de l'hydrogène gazeux : 2Yb + 6H₂O → 2Yb(OH)₃ + 3H₂↑. L'hydroxyde précipite sous forme d'un solide blanc gélatineux peu soluble. Comme pour les autres lanthanides, la réaction n'est pas violente mais est observable sur le long terme.
L'ytterbium réagit avec tous les halogènes pour former des trihalogénures correspondants en état +3 : 2Yb + 3F₂ → 2YbF₃ (fluorure blanc) ; 2Yb + 3Cl₂ → 2YbCl₃ (chlorure blanc). Dans des conditions appropriées, il peut également former des dihalogénures d'ytterbium(II) : Yb + I₂ → YbI₂. L'ytterbium se dissout facilement dans les acides minéraux dilués avec dégagement d'hydrogène et formation des sels correspondants de Yb³⁺ : 2Yb + 6HCl → 2YbCl₃ + 3H₂↑.
L'ytterbium réagit avec l'hydrogène à température modérée (300-400 °C) pour former l'hydrure YbH₂, puis YbH₃ à plus haute température. Avec le soufre, il forme le sulfure Yb₂S₃. Il réagit avec l'azote à haute température (>1000 °C) pour former le nitrure YbN, et avec le carbone pour former le carbure YbC₂. L'ytterbium forme également de nombreux complexes de coordination avec des ligands organiques, en particulier dans l'état +3.
L'ion Yb³⁺ présente des propriétés luminescentes intéressantes dans l'infrarouge proche. Il possède une transition électronique simple (²F₇/₂ → ²F₅/₂) autour de 980 nm qui est exploitée dans les lasers et les amplificateurs optiques. Cette transition présente un large spectre d'absorption et d'émission, un rendement quantique élevé, et une faible perte par émission spontanée, ce qui en fait un excellent milieu actif pour les lasers à haute puissance. Yb³⁺ est également utilisé comme sensibilisateur dans certains matériaux phosphorescents, transférant son énergie à d'autres ions lanthanides comme l'erbium ou le thulium.
L'application la plus avancée et précise de l'ytterbium est son utilisation dans les horloges atomiques à réseau optique. Ces horloges utilisent des atomes d'ytterbium-171 refroidis par laser et piégés dans un réseau optique (lattice) créé par des lasers interférents. La transition utilisée est la transition électronique ¹S₀ → ³P₀ de l'ytterbium-171 à une fréquence de 518 THz (soit une longueur d'onde de 578 nm), dans le domaine visible. Cette transition est extrêmement étroite et insensible aux perturbations externes, ce qui permet une stabilité et une précision exceptionnelles.
Les horloges à ytterbium sont parmi les plus précises jamais développées. Elles atteignent une stabilité relative de l'ordre de 10⁻¹⁸, ce qui signifie qu'elles ne dériveraient que d'une seconde sur plus de l'âge de l'univers (13,8 milliards d'années). Cette précision extraordinaire a des applications dans :
Les lasers Yb:YAG sont des lasers à état solide de haute puissance qui émettent autour de 1030 nm. Ils présentent plusieurs avantages par rapport aux lasers Nd:YAG plus traditionnels :
Les lasers et amplificateurs à fibre dopée à l'ytterbium (YDFL, YDFA) sont extrêmement importants dans les télécommunications et l'usinage industriel. Ils offrent une excellente qualité de faisceau, une haute puissance, une grande efficacité et une compacité. Les amplificateurs à fibre Yb sont utilisés pour amplifier les signaux dans les réseaux de communication optique. Les lasers Yb à fibre sont utilisés pour la découpe de métaux (notamment dans l'industrie automobile et aérospatiale) et le marquage.
De petites quantités d'ytterbium (généralement moins de 0,1%) sont ajoutées à certains aciers inoxydables pour affiner la taille des grains et améliorer les propriétés mécaniques, en particulier la ténacité et la résistance à la corrosion. L'ytterbium agit comme désoxydant et modifie la formation des inclusions, conduisant à une microstructure plus fine et plus uniforme.
Les jauges de contrainte à base d'ytterbium exploitent la propriété de certains composés d'ytterbium de changer leur résistance électrique sous contrainte mécanique. Ces capteurs sont utilisés pour mesurer les déformations dans les structures critiques (ponts, avions, pipelines) avec une grande sensibilité et stabilité.
L'isotope ytterbium-169 (¹⁶⁹Yb) est utilisé comme source portable de rayons gamma pour le contrôle non destructif industriel. Yb-169 émet des rayons gamma de faible énergie (principalement 63 keV, 110 keV, 130 keV, 177 keV et 198 keV) qui sont idéaux pour l'inspection de matériaux légers (aluminium, composites) et de soudures minces. Sa demi-vie de 32 jours est pratique pour une utilisation industrielle.
Les composés d'ytterbium(II), en particulier le diiodure d'ytterbium (YbI₂), sont utilisés comme réducteurs doux en synthèse organique. Ils peuvent effectuer des réductions sélectives de certains groupes fonctionnels sans affecter d'autres parties de la molécule. L'ytterbium métallique est également utilisé comme agent réducteur dans la préparation d'autres métaux de haute pureté.
L'ytterbium et ses composés présentent une toxicité chimique faible, comparable aux autres lanthanides. Les sels solubles peuvent causer des irritations cutanées, oculaires et respiratoires. Aucune toxicité aiguë sévère ni effet cancérigène n'ont été démontrés. La DL50 (dose létale médiane) des sels d'ytterbium chez les animaux est similaire à celle des autres terres rares (typiquement >500 mg/kg). L'ytterbium n'a pas de rôle biologique connu.
Comme les autres lanthanides, l'ytterbium s'accumule préférentiellement dans le foie et les os en cas d'exposition, avec une élimination très lente. L'exposition de la population générale est extrêmement faible, principalement limitée aux travailleurs des industries concernées.
Pour l'isotope Yb-169 utilisé dans les sources de rayonnement industriel, des précautions de radioprotection sont nécessaires. La faible énergie des rayons gamma facilite le blindage (quelques millimètres de plomb suffisent), mais nécessite des précautions contre l'exposition externe. Pour l'Yb-171 utilisé dans les horloges atomiques, l'activité est généralement très faible et ne présente pas de risque significatif.
Les impacts environnementaux liés spécifiquement à l'ytterbium sont minimes en raison des très faibles quantités produites et utilisées. Le recyclage de l'ytterbium est limité mais pourrait devenir plus important avec le développement des applications laser et des horloges atomiques. Les techniques de recyclage seraient similaires à celles des autres terres rares. Les déchets contenant des isotopes radioactifs d'ytterbium (Yb-169, Yb-175) doivent être traités comme des déchets radioactifs de faible activité.
L'exposition professionnelle se produit dans les usines de production de terres rares, les laboratoires de recherche sur les horloges atomiques, et les industries utilisant des lasers Yb ou des sources Yb-169. Les précautions standard pour les poussières métalliques et la radioprotection (le cas échéant) s'appliquent.
L’atome sous toutes ses formes : de l’intuition antique à la mécanique quantique 
