70, Ytterbium (Yb)

Grube Ytterby (Schweden)

Das Element Ytterbium:

         
   
  Tm Yb Lu  
  Md No Lr  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Ytterbium (Nukleosynthese): Ytterbium hat fünf Nuklide, die gegen Betazerfall stabil sind, zwei weitere, die durch Doppelemissionen (2EC, 2β-) zerfallen, jedoch sehr lange Halbwertszeiten haben. Von diesen sieben Nukliden kann eines (Yb-168) nur durch γ-Prozesse aus Er-168 heraus entstehen, weswegen es auch nur spurenweise im natürlichen Isotopengemisch des Elementes vorkommt (0,13%). Yb-170 kann nur durch s-Prozess gebildet werden, da der r-Prozess bei dieser Massenzahl nur bis zum Er-170 führt. Alle anderen Isotope werden sowohl durch s-, als auch r-Prozesse gebildet. Das häufigste Isotop ist mit einem Anteil von 31,8% das Yb-174, gefolgt von Yb-172 (21,8%), Yb-173 (16,1%), Yb-176 (12,8%), Yb-171 (14,3%), Yb-170 (3,04%).

Die Ytterbium-Synthese:
168Yb-Synthese:
(nur γ-Prozess)

168Er + 1,42 MeV → 168Yb

170Yb-Synthese:
(nur s-Prozess)

169Tm + n → 170Yb + β- + 11,06 MeV

171Yb-Synthese:
(s-, r-Prozess)

170Yb + n → 171Yb + 6,62 MeV

56Fe + 115n → 171Yb + 44β- + 927 MeV

172Yb-Synthese:
(s-, r-Prozess)

171Yb + n → 172Yb + 8,02 MeV

56Fe + 116n → 172Yb + 44β- + 935 MeV

173Yb-Synthese:
(s-, r-Prozess)

172Yb + n → 173Yb + 6,37 MeV

56Fe + 117n → 173Yb + 44β- + 941 MeV

174Yb-Synthese:
(s-, r-Prozess)

173Yb + n → 174Yb + 7,45 MeV

56Fe + 118n → 174Yb + 44β- + 949 MeV

176Yb-Synthese:
(s-, r-Prozess)

174Yb + 2n → 176Yb + 12,69 MeV

56Fe + 120n → 176Yb + 44β- + 961 MeV



Radioaktivität: Bedingt durch den Doppelten Beta-Zerfall des mit 12,76% im natürlichen Isotopengemisch enthaltenen Yb-176, hat 1 kg des Elementes in reinstem Zustand eine Aktivität von 0,06 Becquerel. Natürlich zusammengesetztes Kalium strahlt 52.000 mal stärker, was verdeutlicht, dass diese natürliche Aktivität des Ytterbiums keinerlei strahlenschutztechnische Bedeutung hat.
Vorkommen von Ytterbium: Im Universum hat Ytterbium durchschnittlich mit rund 2 μg/kg Anteil am Aufbau (Rang 60). Am Aufbau der Erde ist es mit durchschnittlich 0,23 mg/kg beteiligt (Rang 55), in der Erdkruste findet es sich mit durchschnittlich 3,2 mg/kg (Rang 45). Damit ist es das siebtseltenste (neunthäufigste) Lanthanoid. Es ist aber immer noch deutlich häufiger als Silber oder Iod in der Erdkruste zu finden.

Mineralische Vorkommen: Wie alle schweren Lanthanoide kommt auch das Ytterbium bevorzugt in Yttrium-Mineralien vor, da es in seinem Ionenradius diesem ähnlicher ist, als dem Lanthan. So sind Xenotim, Yttrium-Gadolinit, Monazitsand und Yttrium-Bastnäsit die wichtigsten Quellen zur Anreicherung und Reingewinnung des Elements. Es kommt auch in den Ceriterden vor, allerdings mit weit geringerer Konzentration.

Ytterbiumhaltige Mineralien.

Gadolinit (Y), (Y|Ln)2Fe(SiO5)2[1]

Xenotim, (Y|Yb)PO4[1]

Monazitsand, (Y|Ln)PO4,[2]

Bastnäsit(Y), (Y|Ln)(CO3)F[3]


Ytterbium-Gewinnung:
Gleich den anderen schweren Lanthanoiden (Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Lutetium) wird Ytterbium aus Yttrium-Mineralien (Xenotim, Y-Bastnäsit, Y-Gadolinit) gewonnen. Hierzu werden diese Erze zerkleinert, durch Flotation angereichert und in Schwefelsäure gelöst. Die filtrierte und eisgekühlte Lösung wird anschließend mit Oxalsäure versetzt, wodurch alle Lanthanoide als Ln(III)oxalate ausfallen. Durch Komplexieren (z.B. mit Citronensäure oder anderen organischen Säuren bei definierten Bedingungen) und separates Absorbieren an Ionentauscher mit anschließender Rücklösung unter spezifischen Parametern können die einzelnen Lanthanoide dann fraktioniert werden. Die auf diese Weise erhältlichen organischen Lanthanoid-Salze können durch Glühen in die Oxide überführt werden. Diese wiederum werden mit Flusssäure oder Salzsäure umgesetzt, so dass entsprechend Fluoride bzw. Chloride erhalten werden.

Das so erhaltene Ytterbium(III)fluorid bzw. -chlorid unterzieht man dann nach Zusatz von Kaliumchlorid einer Schmelzelektrolyse. Von dem sich ebenfalls abscheidenen Kalium kann das Ytterbium dann mittels Vakuum-Destillation gereinigt werden.

Schema: Darstellung der Lanthanoide[4]
Chemie von Ytterbium: Ytterbium hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 4f14. Daher strebt das Element die Oxidationsstufen +2 und +3 an. Hydratisierte Ytterbium(II)-Ionen setzen in Wasser langsam Wasserstoff frei, und oxidieren sich zu Ytterbium(III)-Ionen. Dies geschieht allerdings mit einer Halbwertszeit von etwa 3 Stunden (pH<7). Nach Sm(II) und Eu(II) sind Yb(II)-Ionen die noch stabilsten zweiwertigen Lanthanoid-Ionen. Yb(IV)-Verbindungen sind erwartungsgemäß nicht darstellbar.

Reaktionen an der Luft: Bei Raumtemperatur ist Ytterbium an der Luft nicht beständig. Es oxidiert sich langsam zu Ytterbium(III)oxid, bei Anwesenheit von Feuchtigkeit schneller noch zu Ytterbium(III)hydroxid. Es muss daher unter Inertgas oder Petroleum aufbewahrt werden. Beim Erhitzen verbrennt es in stark exothermer Reaktion zu Ytterbium(III)oxid.

4Yb + 3O2 → 2Yb2O3 + 3629,2 kJ


Reaktionen mit Wasser, Säuren und Laugen: Von Feuchtigkeit und Wasser wird das Metall schnell angegriffen, es reagiert unter Wasserstoffentwicklung zu Ytterbium(III)hydroxid. Dieses ist zwar stark basisch, jedoch nur sehr schlecht in Wasser löslich - die Basizität ähnelt der von Aluminiumhydroxid. Aufgrund der Löslichkeit von etwa 180 μg/L hat die gesättigte Hydroxidlösung einen pH-Wert von etwa 7,8. Gleich den anderen Lanthanoid(III)-Ionen hydrolysiert auch das Hexaaquo-Ytterbium(III)-Ion unter Bildung von Hydronium-Ionen und Hydroxo-Ytterbium(III)-Ionen, weswegen Ytterbium-Salze, sofern das Anion nicht basisch reagiert, deutlich saure Reaktionen zeigen. Im Gegensatz zu allen leichteren Lanthanoiden, aber gleich Lutetium, kann durch Kochen von Ytterbium(III)hydroxid mit starker Kalilauge in wässriger Lösung ein Ytterbat, mit dem Anion Yb(OH)4-, in größerer Menge erhalten werden.

Hydrolyse von Ytterbium(III)hydroxid und Ytterbium(III)-Ionen:

a) Alkalische Reaktion von Ytterbium(III)hydroxid:
{Yb(OH)3} [Yb(OH)2]+ + OH-; pKb = 5,70

b) Saure Reaktion von Thulium(III)-Ionen:
[Tm(H2O)9]3+ + H2O [Tm(H2O)8(OH)]2+ + [H3O]+; pKs = 7,65



Reaktionen mit Nichtmetallen: Mit Fluor und Chlor reagiert das Element bereits bei Raumtemperatur mit Feuererscheinung unter Bildung entsprechender Salze, mit Brom, Iod und Schwefel erst beim Erhitzen - ebenfalls unter stark exothermer Reaktion.

Ytterbium-Verbindungen

Ytterbium(III)oxid[4]
Yb2O3

Fotomontage: Yb(III)sulfat-8hydrat[5]
Yb2(SO4)3•8H2O

Ytterbium(III)chlorid[6]
YbCl3

Fotomontage: Ytterbium(II)chlorid[7]
YbCl2

Ytterbium(III)sulfat-Lösung[4]
UV-Licht (li), Tageslicht (re)


Physikalische Besonderheiten von Ytterbium bzw. von seinen Verbindungen: Flammenfärbung: Ytterbiumsalze zeigen bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen) eine Flammenfärbung. Dabei ist die Flamme im heißeren Temperaturbereich grün bis gelbstichig, im kälteren orange-rötlich gefärbt. Dies kommt dadurch zustande, dass der Teil der angeregten Elektronen, der in der heißen Zone auf das Grundniveau zurückfällt, höhere Energien (und damit kleinere Wellenlängen, Blau-Anteile) hat, als der Anteil, welcher erst weiter oben in der kälteren Zone emittiert (größere Wellenlängen, Rot-Anteile).

Sind die Salze durch größere Mengen an leichteren Lanthanoiden verunreinigt, so kann die Flamme einen rosa-violetten Farbton annehmen. Dieses Bild wurde mit einer Salz-Probe der Reinheit 99,99 % gemacht: Die Salzlösung wurde per Zerstäubung in eine Luft-Acetylen-Flamme eingebracht und dann fotografiert (AAS).


Flammenfärbung eines[4]
Ytterbium-Salzes

Verwendung von Ytterbium und seinen Verbindungen : Aufgrund der schwierigen Gewinnbarkeit (Abtrennung von den anderen Lanthanoiden bei gleichzeitig nur geringem Anteil in den Erzen) hat Ytterbium fast keine Anwendungsmöglichkeiten.
  • Dauermagneten. Wie die meisten Lanthanoiden können auch Legierungen mit Ytterbium starke ferromagnetische Eigenschaften haben. So hat eine Ytterbium-Kobalt-Eisen-Mangan-Legierung (Yb2Co13Fe3Mn) mit über 200 kJ/m3 das höchste derzeit bekannte Energieprodukt. Allerdings ist die Nutzung aufgrund des hohen Herstellungspreises sehr limitiert.
In der organischen Synthese kann Ytterbium(III)chlorid als Katalysator für einige Reaktionen verwendet werden, wo es bessere Ausbeuten erzielt, als andere Reagenzien:

Aldol-Reaktion: Bei der Aldolreaktion dient Ytterbium(III)-chlorid als Hilfs-Katalysator bei der palladium-katalysierten decarboxylierenden Aldolreaktion eines Enolates mit einem Aldehyd. Die Ãœbergangszustände A und B zeigen die Koordinierung des Ytterbiumsalzes. Für die oben beschriebene decarboxylierende Aldolreaktion mit R = tert-Butyl und R' = –(CH2)2Ph zeigt der Vergleich der Ausbeuten von verschiedenen Lewis-Säuren eine besonders hohe Ausbeute bei Ytterbium(III)-chlorid.[8]


Mechanismus der Aldol-Reaktion[9]


Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Kouame. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[4] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[5] Quelle des Originalbildes: Wikimedia Commons. Urheber: Bahmtec. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[6] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Nblair11285. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[7] Quelle des Originalbildes: Wikimedia Commons. Urheber: Walkerma. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[8] Wikipedia, Ytterbium(III)chlorid.. Aufruf vom 29.08.2013.

[9] Bildquelle: Wikipedia.Autor: Andel. Dieses Bild erreich nicht die nötige Schöpfungshöhe für eine Schutzwürdigkeit, und ist daher gemeinfrei.