鐿 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 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(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)。鐿具有較強的還原能力,還原能力接近于鎂金屬。
基本信息
電子排布
1s22s22p?3s23p?3d1o4s24p?4d1o4f1?5s25p?6s2
[Xe]4f1?6s2
物理性質(zhì)
原子性質(zhì)
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(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。
鐿與其他稀土金屬一起存在于許多稀有礦物中,例如重稀土礦物 磷釔礦 、 褐釔鈮礦 、離子吸附型稀土礦等礦物中含有少量的鐿元素,獨居石中也含有微量的鐿金屬。 從礦物質(zhì)中提取鐿元素后需再經(jīng)過鑭熱還原-蒸餾法、鈣熱直接還原法、熔鹽電解法等對其提純。 鐿在激光元件、光學(xué)玻璃、傳感器等方面均有應(yīng)用。
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)時為鋱,現(xiàn)今鉺)、Terbia(當(dāng)時為鉺,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)家從相同的實驗中獲得了不同的結(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(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(dāng)壓力在1.1 GPa及以下時,Yb為半金屬態(tài),當(dāng)壓力為1.1-3.9 GPa之間時,Yb為本征半導(dǎo)態(tài),當(dāng)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 。
圖3:鐿晶體的面心立方和體心立方結(jié)構(gòu)
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(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。鐿同位素在多個領(lǐng)域均有應(yīng)用,如1??Yb能夠作為 伽馬相機 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(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(luò)合能力也不同,在一般情況下,絡(luò)合能力排序為O>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,獨居石中也含有微量的鐿金屬,約占獨居石質(zhì)量分?jǐn)?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 獨居石中主要成分為稀土、 釷 和 鈾 金屬,但其中僅含少量的鐿金屬,以下介紹濃利用硫酸法和氫氧化鈉分解法提取獨居石中的稀土金屬。
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(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、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(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(yīng) : 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(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 鐿是所有稀土元素中較難分離提純的元素,現(xiàn)多采取離子交換法和 萃取 法分離得到鐿的氧化物和鹵化物。
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(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 鈣熱直接還原法是利用金屬 鈣 (Ca)作為還原劑,在高溫下還原鐿的氟化物(YbF?)得到金屬鐿的方法。用鋰(Li)作還原劑也可得高純度的鐿,但是成本高昂。
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,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(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、運行費用低以及維護周期變長等優(yōu)點。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(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、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
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)實驗發(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。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。