Иттербий ИтбМ-1

Металлический иттербий — общие сведения

Иттербий (Yb) — редкоземельный металл иттриевой подгруппы, четырнадцатый элемент в ряду лантаноидов, атомный номер 70. Мягкий, пластичный, хорошо поддаётся механической обработке и обработке давлением. Цвет — серебристо-белый с характерным металлическим блеском. На воздухе поверхность постепенно окисляется с образованием защитной плёнки оксида Yb₂O₃, поэтому металл хранят в герметичной таре в инертной атмосфере.

Среди лантаноидов иттербий выделяется аномально низкими (относительно соседей по ряду — тулия и лютеция) плотностью, температурами плавления и кипения. Причина — замкнутая электронная конфигурация [Xe] 4f¹⁴ 6s², при которой в металлическую связь вовлечены только два 6s-электрона вместо трёх, как у большинства лантаноидов. Это же объясняет устойчивость степени окисления +2, наряду с основной +3.

Физические свойства иттербия

Иттербий — полиморфный металл с тремя аллотропными модификациями, переходящими одна в другую при определённых температурах:

Параметр	Значение
Атомная масса	173,045 а. е. м.
Плотность (β-фаза, 20 °C)	6,97 г/см³
Температура плавления	824 °C
Температура кипения	1196 °C
Теплопроводность	34,9 Вт/(м·К)
Удельное электросопротивление (20 °C)	25 мкОм·см

Диапазон жидкого состояния иттербия (824–1196 °C) — наименьший среди всех металлов. Удельное электросопротивление (25 мкОм·см) — самое низкое в ряду редкоземельных металлов: у большинства трёхвалентных лантаноидов оно составляет 60–90 мкОм·см. Это означает, что электропроводность иттербия примерно в 2,5–3,5 раза выше, чем у остальных РЗМ.

Аллотропные модификации

Модификация	Кристаллическая решётка	Область стабильности	Плотность, г/см³
α-Yb	ГПУ (гексагональная плотноупакованная)	ниже −13 °C	6,90
β-Yb	ГЦК (гранецентрированная кубическая)	от −13 до 795 °C	6,97
γ-Yb	ОЦК (объёмно-центрированная кубическая)	795–824 °C	6,57

При комнатной температуре стабильна β-фаза с ГЦК-решёткой. При давлении около 1,6 ГПа (≈16 000 атм) β-иттербий переходит из металлического состояния в полупроводниковое, а при ~3,9 ГПа его электросопротивление возрастает на порядок. Это свойство используется при создании датчиков давления и тензометрических устройств.

В отличие от большинства лантаноидов, иттербий проявляет парамагнетизм при температурах выше 1 К и обладает самой низкой магнитной восприимчивостью среди РЗМ. Альфа-модификация — диамагнитна.

Химические свойства

Иттербий — электроположительный металл. На воздухе при нормальных условиях окисляется медленно с образованием оксида Yb₂O₃. В порошкообразном состоянии самовоспламеняется на воздухе, поэтому порошок хранят в защитной атмосфере. Смесь порошка иттербия с политетрафторэтиленом или гексахлорэтаном горит ярким изумрудно-зелёным пламенем.

С водой иттербий реагирует медленно (при комнатной температуре), с горячей водой — быстрее, образуя гидроксид Yb(OH)₃ и выделяя водород. Быстро растворяется в разбавленных минеральных кислотах, за исключением плавиковой — в ней на поверхности образуется защитная плёнка фторида YbF₃, препятствующая дальнейшему растворению.

Устойчивые степени окисления — +3 (основная) и +2. Ион Yb²⁺ является сильным восстановителем и нестоек в водных растворах.

Марки металлического иттербия

Металлический иттербий в России выпускается по ТУ 48-4-204-72. Основная марка — ИтбМ-1 с содержанием основного вещества не менее 99,9 % (суммарная массовая доля примесей — не более 0,1 %). Получают металл лантанотермическим восстановлением оксида Yb₂O₃ лантаном в вакууме с последующей дистилляцией для повышения чистоты, а также электролизом расплава хлорида YbCl₃.

Марка	Содержание Yb, % (не менее)	Сумма примесей, % (не более)
ИтбМ-1	99,9	0,1

Формы поставки металлического иттербия

Металлический иттербий поставляется преимущественно в виде слитков (кусков размером 10–50 мм). Каждый слиток упаковывается в двойной запаянный полиэтиленовый пакет для защиты от влаги и кислорода воздуха.

Порошок иттербия фасуется в мешки по 5 кг с двойной внутренней защитной лентой. Мешки помещаются в пластиковые бочки ёмкостью до 25 кг. Порошок требует особых условий хранения — в сухом помещении с контролируемой влажностью, вдали от источников тепла и открытого огня (пожароопасен).

Области применения иттербия

Лазерные материалы

Ионы Yb³⁺ — один из наиболее востребованных активаторов в твердотельных и волоконных лазерах. Оксид иттербия Yb₂O₃ применяется в качестве легирующей добавки при производстве высокомощных волоконных лазеров с длиной волны излучения в ближнем инфракрасном диапазоне (около 1,06–1,07 мкм). Такие лазеры отличаются высоким КПД и длительным сроком службы. Монокристаллический сплав фторида бария с фторидом иттербия, легированный ионами гольмия, также используется как лазерный материал.

Термоэлектрические материалы

Монотеллурид иттербия YbTe рассматривается как перспективный термоэлектрический материал с высокой величиной термоЭДС.

Датчики давления и тензометрия

При сжатии электросопротивление иттербия резко возрастает (на порядок при ~3,9 ГПа). Эта чувствительность к механическому напряжению делает его пригодным для изготовления тензодатчиков, используемых при мониторинге деформаций грунта — например, при сейсмических событиях и подземных взрывах.

Ядерная энергетика и радиография

Изотоп ¹⁶⁹Yb (период полураспада 32 суток), получаемый облучением иттербия нейтронами в ядерном реакторе, служит источником гамма-излучения, эквивалентного рентгеновскому с энергией 250–350 кэВ. На его основе созданы портативные рентгеновские аппараты, не требующие электропитания. Борат иттербия находит применение при производстве специальных стёкол и эмалей для атомной техники.

Электроника

Оксид иттербия используется в качестве диэлектрика при создании кремниевых МДП-структур (металл — диэлектрик — полупроводник). Иттербий применяется как газопоглотитель (геттер) в электровакуумных приборах.

Металлургия

В качестве легирующей добавки иттербий улучшает измельчение зерна, повышает прочность и другие механические характеристики нержавеющей стали и специальных сплавов. Совместно с другими РЗМ используется как модификатор и раскислитель при выплавке стали.

Люминофоры и оптика

Порошок иттербия и его соединения входят в состав люминофоров (кристаллофосфоров), применяемых в керамической промышленности, приборах ночного видения и кремниевых фотоэлементах для преобразования световой энергии в электрическую.

Прецизионные атомные часы

Атомы иттербия, удерживаемые в оптических ловушках, лежат в основе экспериментальных оптических часов нового поколения, превосходящих по стабильности цезиевые стандарты частоты.

Хранение и меры предосторожности

Металлический иттербий хранится в герметичной таре, заполненной инертным газом (азот, аргон), для предотвращения окисления. Порошкообразный иттербий пирофорен — при контакте с воздухом способен к самовоспламенению. Соединения иттербия считаются умеренно токсичными, могут вызывать раздражение кожи и глаз. Работы с редкоземельными металлами проводятся в помещениях с приточно-вытяжной вентиляцией.