Benutzer:Orci/Lutetium

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Vorkommen

Ytterbium ist auf der Erde ein seltenes Element, seine Häufigkeit in der kontinentalen Erdkruste beträgt etwa 3,2 ppm.

Yttrium kommt als Bestandteil von Seltenerd-Mineralen, vor allem denjenigen des Yttriums und der schwereren Lanthanoide wie Xenotim und Gadolinit vor. So enthält Xenotim aus Malaysia bis zu 6,2 % Ytterbium. Ceriterden wie Monazit und Bastnäsit enthalten dagegen geringere Anteile an Ytterbium, so enthält Monazit je nach Lagerstätte zwischen 0,12 und 0,5 % des Elementes.[1]

Es sind mehrere seltene Minerale bekannt, in denen Ytterbium das häufigste Seltenerdmetall ist. Dazu zählen Xenotim-(Yb) mit einem Anteil von 32 Gewichtsprozent Ytterbium am Mineral und der Verhältnisformel (Yb0,40Y0,27Lu0,12Er0,12Dy0,05Tm0,04Ho0,01)PO4[2] und Keiviit-(Yb) mit der Verhältnisformel (Yb1,43Lu0,23Er0,17Tm0,08Y0,05Dy0,03Ho0,02)2Si2O7.[3] Diese Minerale sind jeweils Teile einer Mischkristallreihe, aus der auch andere natürlich vorkommende Zusammensetzungen, vor allem mit Yttrium als Hauptbestandteil, bekannt sind.

Wichtigste Quellen für Ytterbium sind die Monazit- und Xenotimvorkommen in China und Malaysia (dort als Begleitmineral von Kassiterit). Auf Grund der geringen Nachfrage wird die Versorgungslage an Ytterbium nicht als kritisch angesehen.[4]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Kristallstruktur von Ytterbium, a = 548,1 pm

Ytterbium ist wie die anderen Lanthanoide ein silberglänzendes, weiches Schwermetall. Es besitzt mit 6,973 g/cm3 eine ungewöhnlich niedrige Dichte, die deutlich niedriger ist als diejenige der benachbarten Lanthanoide wie Lutetium und Holmium und vergleichbar mit der von Neodym oder Praseodym ist. Vergleichbares gilt auch für den verhältnismäßich niedrigen Schmelzpunkt von 824 °C und den Siedepunkt von 1196 °C (Lutetium: Schmelzpunkt 1652 °C, Siedepunkt 3402 °C) Verantwortlich für diese der sonst geltenden Lanthanoidenkontraktion entgegenstehenden Werte ist die Elektronenkonfiguration [Xe] 4f14 6s2 des Ytterbiums. Durch die vollständig gefüllte f-Schale stehen nur zwei Valenzelektronen für metallische Bindungen zur Verfügung und es kommt daher zu geringeren Bindungskräften und zu einem deutlich größeren Metallatomradius.[5]

Es sind drei verschiedene Kristallstrukturen bei Atmosphärendruck sowie drei weitere Hochdruckmodifikationen des Ytterbiums bekannt. Bei Raumtemperatur kristallisiert das Metall in einer kubisch-dichtesten Kugelpackung mit dem Gitterparameter a = 548,1 pm.[6] Bei höheren Temperaturen und Drücken geht diese Struktur in eine kubisch-innenzentrierte Kugelpackung über, wobei bei Atmosphärendruck die Übergangstemperatur bei etwa 770 °C liegt, bei Raumtemperatur der nötige Druck bei 4 GPa.[7] Bei tiefen Temperaturen ist eine hexagonal-dichteste Struktur stabil, wobei der Phasenübergang stark abhängig von Reinheit, Druck und Spannungen im Metall ist und zwischen 0 und 45 °C liegt. Diese Phasen besitzen unterschiedlichen Magnetismus, während die hexagonale Phase wie durch die vollständig besetzten Orbitale zu erwarten diamagnetisch ist, zeigt die kubisch-flächenzentrierte Struktur, wahrscheinlich durch geringe Mengen Y3+ im Metall, Paramagnetismus.[8]

Die Reihenfolge der Hochdruckmodifikationen entspricht nicht der bei anderen Lanthanoiden häufig zu findenden Reihenfolge. So sind keine Modifikationen des Ytterbiums mit einer doppelt-hexagonal-dichtesten Struktur oder einer Samarium-Struktur bekannt. Auf die ab 4 GPa stabile kubisch-innenzentrierte Struktur folgt bei 26 GPa eine hexagonal-dichteste Phase. Der nächste Phasenübergang erfolgt bei weiterer Druckerhöhung bei 53 GPa, oberhalb dieses Druckes bildet sich wiederum eine kubisch-dichteste Struktur aus. Ein weiterer bekannter Phasenübergang erfolgt bei 98 GPa, ab diesem Druck ist bis mindestens 202 GPa eine hexagonale Struktur mit der Raumgruppe P3121 (hP3-Struktur) am stabilsten. Mit der Durckerhöhung erfolgt auch eine Änderung der Elektronenstruktur des Ytterbiums, ein Elektron geht vom f-Orbital in ein d-Orbital über und die Elektronenkonfiguration ist nun wie bei anderen Lanthanoiden trivalent. [9]

Chemische Eigenschaften

Ytterbium ist ein typisches unedles Metall, das, vor allem bei höheren Temperaturen, mit den meisten Nichtmetallen reagiert. Mit Sauerstoff reagiert es bei Standardbedingungen an trockener Luft langsam, schneller bei Anwesenheit von Feuchtigkeit. Metallisches Lutetium ist wie andere unedle Metalle, vor allem bei großer Oberfläche, brennbar.[10] Bei der Reaktion von Lutetium und Wasserstoff erfolgt keine vollständige Reaktion, der Wasserstoff tritt stattdessen in die Oktaederlücken der Metallstruktur ein und es bilden sich nicht-stöchiometrische Hydrid-Phasen aus, wobei die genaue Zusammensetzung von der Temperatur und dem Wasserstoffdruck abhängt.[5][1]

  1. ↑ a b Ian McGill: Rear Earth Elements. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2005, doi:10.1002/14356007.a22_607.
  2. ↑ Harvey M. Buck, Mark A. Cooper, Petr Cerny, Joel D. Grice, Frank C. Hawthorne: Xenotime-(Yb), YbPO4, a new mineral species from the Shatford Lake pegmatite group, southeastern Manitoba, Canada. In: Canadian Mineralogist. 1999, 37, S. 1303-1306 (Absact in American Mineralogist, S. 1324).
  3. ↑ A. V. Voloshin, Ya. A. Pakhomovsky, F. N. Tyusheva: Keiviite Yb2Si2O7, a new ytterbium silicate from amazonitic pegmatites of the Kola Peninsula. In: Mineralog. Zhurnal. 1983, 5-5, S. 94-99 (Abstract in American Mineralogist, S. 1191).
  4. ↑ Harald Elsner: Kritische Versorgungslage mit schweren Seltenen Erden – Entwicklung „Grüner Technologien“ gefährdet? In: Commodity Top News. 2011, Nr. 36 (pdf).
  5. ↑ a b Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Che mie. 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1938–1944.
  6. ↑ H. T. Hall, J. D. Barnett, L. Merrill: Ytterbium: Transition at High Pressure from Face-Centered Cubic to Body-Centered Cubic Structure. In: Science. 139, 1963, S. 111–112, doi:10.1126/science.139.3550.111.
  7. ↑ A. Jayaraman: Fusion Curve of Europium, Fusion, and fcc-bcc Transformation in Ytterbium at High Pressures. In: Physical Review. 135, 1964, S. A1056–A1059, doi:10.1103/PhysRev.135.A1056.
  8. ↑ E. Bucher, P. Schmidt, A. Jayaraman, K. Andres, J. Maita, K. Nassau, P. Dernier: New First-Order Phase Transition in High-Purity Ytterbium Metal. In: Physical Review B. 2, 1970, S. 3911–3917, doi:10.1103/PhysRevB.2.3911.
  9. ↑ Gary Chesnut, Yogesh Vohra: Structural and Electronic Transitions in Ytterbium Metal to 202 GPa. In: Physical Review Letters. 82, 1999, S. 1712–1715, doi:10.1103/PhysRevLett.82.1712.
  10. ↑ Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag; kein Text angegeben für Einzelnachweis mit dem Namen Sigma.
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