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鐿
稀土金屬
鐿（英文名：Ytterbium）是一種化學(xué)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(diǎn)為819 °C，沸點(diǎn)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(xué)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(yīng)。鐿具有較強(qiáng)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(diǎn)
819 °C
沸點(diǎn)
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(xiǎn)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(dǎo)致嚴(yán)重眼部刺激
H332（89.13%）：吸入有害
H335（100%）：可能導(dǎo)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(xué)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(dāng)時(shí)為鋱，現(xiàn)今鉺）、Terbia（當(dāng)時(shí)為鉺，現(xiàn)今鋱）。由于物質(zhì)的相似性，科學(xué)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(xué)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(xué)家從相同的實(shí)驗(yàn)中獲得了不同的結(jié)果。法國化學(xué)家喬治·烏爾班（Georges Urbain）認(rèn)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(xué)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(xué)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(dú)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(dú)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(gè)，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(shí)Yb金屬晶體中只有兩個(gè)6s電子參與成鍵，因此其熔點(diǎn)、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?yàn)閅b呈現(xiàn)的主要價(jià)態(tài)為+3價(jià)，此時(shí)，Yb失去一個(gè)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(xué)反應(yīng)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?yàn)閮?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?yàn)殍|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(dāng)壓力在1.1 GPa及以下時(shí)，Yb為半金屬態(tài)，當(dāng)壓力為1.1-3.9 GPa之間時(shí)，Yb為本征半導(dǎo)態(tài)，當(dāng)壓力大于3.9 GPa時(shí)，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(diǎn)為819 °C，沸點(diǎn)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(dǎo)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(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用，如1??Yb能夠作為伽馬相機(jī)的輻射源，應(yīng)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(xué)性質(zhì)
稀土金屬鐿的化學(xué)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(shí)應(yīng)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(qiáng)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(yīng)。稀土金屬與稀鹽酸、稀硝酸、稀硫酸等稀酸的反應(yīng)劇烈，但不與堿作用。
化合物
Yb在化合物中主要呈現(xiàn)的價(jià)態(tài)為+2價(jià)和+3價(jià)。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(yīng)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(yīng)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(luò)合物，且此時(shí)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(dǎo)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?yàn)橄⊥两饘儆袡C(jī)化合物不遵循18電子規(guī)則。由于Yb與不同配位原子的絡(luò)合能力也不同，在一般情況下，絡(luò)合能力排序?yàn)镺>N>S。Yb還可以與兩種及以上配體形成絡(luò)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(dú)居石中也含有微量的鐿金屬，約占獨(dú)居石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.03%。
以下以獨(dú)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(dú)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(dú)居石中提取稀土的方法，首先將獨(dú)居石與濃硫酸混合焙燒，然后加水浸出得到稀土硫酸復(fù)鹽，再加入氫氧化鈉使稀土硫酸復(fù)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(yīng)性強(qiáng)、對礦物質(zhì)要求低等優(yōu)點(diǎn)，但大量使用濃硫酸不僅會腐蝕設(shè)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(yīng)：
氫氧化鈉分解法
氫氧化鈉分解法是先將獨(dú)居石研磨至細(xì)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(shè)備使用時(shí)間可增長，稀土回收率高，還能回收獨(dú)居石中的磷。以下為稀土金屬D主要反應(yīng)：
雖然濃硫酸法和氫氧化鈉分解法都能有效地從獨(dú)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(xué)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(jìn)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(jìn)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(luò)合物，這些絡(luò)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(shí)間不同從而將稀土元素分離的方法。一般情況下，絡(luò)合物的穩(wěn)定性隨稀土原子序數(shù)的增大而提高?？梢允褂貌煌碾x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(yīng)用于工業(yè)規(guī)模。為促進(jìn)稀土絡(luò)合物的解絡(luò)、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(dǎo)致各種離子洗脫時(shí)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(jìn)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(jìn)行分離，后利用二（2,4,4-三甲基戊基）磷酸（Cyanex272）對銩、鐿、镥進(jìn)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(shí)現(xiàn)了銩、鐿、镥的高純分離。除此之外，還可以利用鐿易變價(jià)，采取電化學(xué)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(yīng)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(yīng)溫度、設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域
在光纖激光方面的應(yīng)用
鐿離子（Yb3?）具有能級簡單、熒光壽命長、儲能高等優(yōu)點(diǎn)，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(hù)等優(yōu)勢，已經(jīng)實(shí)際應(yīng)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(yīng)用。
材料加工
摻鐿雙包層光纖激光器也可作為激光加工設(shè)備，對材料進(jìn)行切割、焊接、精密打孔、雕刻、激光打標(biāo)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(yùn)行費(fèi)用低以及維護(hù)周期變長等優(yōu)點(diǎn)。如激光打標(biāo)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(yīng)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(shè)備，例如治療閉塞性疾病的擴(kuò)張器、心血管支架等儀器。
在合金材料方面的應(yīng)用
鐿是一種稀土元素，由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)使得往合金中加入適當(dāng)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(jī)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(yīng)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(yīng)力傳感器，記錄應(yīng)力作用于材料的過程。鐿應(yīng)力傳感器可以應(yīng)用于研究靜水高壓試驗(yàn)、水下爆轟試驗(yàn)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(dǎo)致嚴(yán)重眼部刺激
H332（89.13%）：吸入有害
H335（100%）：可能導(dǎo)致呼吸道刺激
健康安全
隨著鐿的應(yīng)用在逐漸擴(kuò)展，鐿很容易進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致鐿在河流、土壤和大氣中的異常分布。若人體直接接觸鐿，會引起人類的皮膚和眼睛刺激，若進(jìn)入人體內(nèi)則可能會在骨骼、腎臟和肝臟中積累。鐿在環(huán)境中的積累還會對動植物產(chǎn)生毒性，據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鐿離子對小鼠有一定的神經(jīng)毒性，并且毒性比鑭、釓都要強(qiáng)。鐿對部分植物也具有影響，例如高濃度的鐿可引起紫背浮萍植物葉片色素含量逐漸下降并影響對礦物質(zhì)的吸收，還會使蠶豆根尖生長會受到明顯抑制作用，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，影響光合作用。
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作者
