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イッテルビウムは化学元素であり、元素記号 はYb、原子番号は70です。金属であり、ランタノイド系列の14番目の元素です。このことが、+2の酸化状態が比較的安定している理由です。他のランタノイドと同様に、最も一般的な酸化状態は+3であり、酸化物、ハロゲン化物、その他の化合物に見られます。水溶液中では、他の後期ランタノイド化合物と同様に、可溶性のイッテルビウム化合物は9分子の水と錯体を形成します。閉殻電子配置のため、密度、融点、沸点は他のほとんどのランタノイドよりもはるかに低くなっています。
1878年、スイスの化学者ジャン・シャルル・ガリサール・ド・マリニャックは、希土類元素「エルビア」から別の独立した成分を分離し、それを「イッテルビア」と名付けました。これは、彼がエルビウムの新しい成分を発見したスウェーデンの村イッテルビーにちなんだものです。彼はイッテルビアが「イッテルビウム」と名付けた新しい元素の化合物であると推測しました。この村にちなんで、他の3つはイットリウム、テルビウム、エルビウムの4つの元素が命名されました。1907年、イッテルビアから新しい土類元素「ルテシア」が分離され、そこからジョルジュ・ウルバン、カール・アウアー・フォン・ウェルスバッハ、チャールズ・ジェームズによって元素「ルテシウム」（現在はルテチウム）が抽出されました。議論の後、マリニャックの「イッテルビウム」という名前がそのまま採用されました。比較的純度の高いイッテルビウムの試料が初めて得られたのは1953年のことである。現在、イッテルビウムは主にステンレス鋼や活性レーザー媒体の添加剤として用いられており、ガンマ線源として用いられることは少ない。
天然イッテルビウムは7種類の安定同位体の混合物であり、地殻中に平均3ppmの濃度で存在します。この元素は、中国、米国、ブラジル、インドで、モナザイト、ユークセナイト、ゼノタイムといった鉱物の形で採掘されています。イッテルビウムの濃度が低いのは、他の多くの希土類元素の中にしか存在しないためです。最も希少な元素の一つです。抽出・精製されたイッテルビウムは、目や皮膚への刺激性があり、やや危険です。また、火災や爆発の危険性があります。
イッテルビウムは、柔らかく、展性があり、延性がある化学元素です。新しく調製された状態では、セシウムよりも金色ではありません。希土類元素であり、強い鉱酸によって容易に溶解します。[ 9 ]
イッテルビウムには、ギリシャ文字のアルファ、ベータ、ガンマで表される 3 つの同素体があります。それらの相転移温度は −13 °C と 795 °C ですが、正確な相転移温度は圧力と応力に依存します。[10]ベータ 同素体( 6.966 g / cm 3 )は室温で存在し、面心立方結晶構造を持っています。高温ガンマ同素体 (6.57 g/cm 3 ) は体心立方結晶構造を持っています。[ 9 ]アルファ同素体 (6.903 g/cm 3 ) は六方晶構造を持ち、低温で安定しています。[ 11 ]
ベータ同素体は、通常の気圧下では金属的な電気伝導性を示しますが、約 16,000気圧(1.6 GPa )の圧力にさらされると半導体になります。その電気抵抗率は、39,000 気圧 (3.9 GPa) まで圧縮すると 10 倍に増加しますが、その後、約 40,000気圧 (4.0 GPa)で室温抵抗率の約 10% まで低下します。[ 9 ] [ 12 ]
低温で反強磁性および/または強磁性を示す他の希土類金属とは対照的に、イッテルビウムは1.0ケルビン以上の温度で常磁性を示す。[ 13 ]ただし、α同素体は反磁性である。[ 10 ]融点が824℃、沸点が1196℃であるイッテルビウムは、すべての金属の中で最も液体範囲が狭い。[ 9 ]
他のほとんどのランタニド元素は密に詰まった六方格子構造を持つのに対し、イッテルビウムは面心立方格子構造で結晶化する。イッテルビウムの密度は6.973 g/cm³で、隣接するランタニド元素であるツリウム（9.32 g/cm³ ）やルテチウム（9.841 g/cm³ ）よりもかなり低い。融点と沸点もツリウムやルテチウムよりもかなり低い。これは、イッテルビウムの電子配置が閉殻電子配置（[Xe] 4f 14 6s 2 ）であるため、金属結合に利用できる6s電子が2個しかない（他のランタニド元素では3個の電子が利用できるのに対し）ため、イッテルビウムの金属半径が大きくなるためである。[ 11 ]
イッテルビウム金属は空気中でゆっくりと変色し、金色または茶色を呈する。微細に分散したイッテルビウムは空気中および酸素下で容易に酸化する。粉末状のイッテルビウムとポリテトラフルオロエチレンまたはヘキサクロロエタンの混合物は、エメラルドグリーンの炎で燃焼する。[ 14 ]イッテルビウムは水素と反応して、さまざまな非化学量論的水素化物を形成する。イッテルビウムは水にはゆっくりと溶解するが、酸には急速に溶解し、水素を放出する。[ 11 ]
イッテルビウムは非常に電気陽性であり、冷水とはゆっくりと反応し、温水とは非常に速く反応して水酸化イッテルビウム(III)を生成します。[ 15 ]
イッテルビウムはすべてのハロゲンと反応する：[ 15 ]
イッテルビウム(III)イオンは近赤外域の波長の光を吸収しますが、可視光は吸収しないため、イッテルビア、Yb 2 O 3は白色で、イッテルビウムの塩も無色です。イッテルビウムは希硫酸に容易に溶解し、無色のYb(III)イオンを含む溶液を形成します。Yb(III)イオンは9水和物錯体として存在します。[ 15 ]
イッテルビウムは通常は三価ですが、容易に二価の化合物を形成します。この挙動は、ほぼ例外なく+3の酸化状態の化合物を形成するランタニドとしては珍しいものです。+2の状態は、完全に満たされたf殻がより安定性をもたらすため、価電子配置が4f 14となります。黄緑色のイッテルビウム(II)イオンは非常に強い還元剤であり、水を分解して水素を放出するため、水溶液中では無色のイッテルビウム(III)イオンのみが存在します。サマリウムとツリウムも+2の状態で同様の挙動を示しますが、ユーロピウム(II)は水溶液中で安定です。イッテルビウム金属は、ユーロピウム金属やアルカリ土類金属と同様に、アンモニアに溶解して青色のエレクトライド塩を形成します。[ 11 ]
天然イッテルビウムは、168 Yb、170 Yb、171 Yb、172 Yb、173 Yb、174 Yb、および176 Ybの7つの安定同位体から構成されており、 174 Ybが最も豊富です（天然存在比31.90% ）。32の合成放射性同位体が観測されており、最も安定なのは半減期32.014日の169 Yb 、半減期4.185日の175 Yb、および半減期56.7時間の166 Ybです。残りの放射性同位体はすべて半減期が2時間未満であり、その大部分は20分未満です。この元素には18のメタ状態もあり、最も安定なのは169m Yb（半減期46秒）です。[ 8 ]
イッテルビウムの既知の同位体は149 Ybから187 Ybまでである。[ 8 ] [ 16 ]最も豊富な安定同位体である174 Ybよりも軽い同位体の主な崩壊モードは電子捕獲で、ツリウム同位体を生成する。その次に主なモードはベータ崩壊で、ルテチウム同位体を生成する。
イッテルビウムは、いくつかの希少鉱物中に他の希土類元素とともに存在します。商業的には、モナザイト砂（イッテルビウム含有量0.03%）から回収されることが最も多いです。この元素は、ユークセナイトやゼノタイムにも含まれています。主な採掘地域は、中国、米国、ブラジル、インド、スリランカ、オーストラリアです。イッテルビウムの埋蔵量は100万トンと推定されています。イッテルビウムは通常、他の希土類元素から分離するのが困難ですが、20世紀半ばから後半にかけて開発されたイオン交換法や溶媒抽出法によって分離が容易になりました。イッテルビウムの化合物はまれで、まだ十分に特性が解明されていません。地殻中のイッテルビウムの存在量は約3 mg/kgです。[ 12 ]
オッドー・ハーキンスの法則に従い、イッテルビウムは偶数番目のランタニドであるため、同じ濃縮物中にそれぞれ約 0.5% のレベルで存在する隣接するツリウムとルテチウムよりもかなり豊富に存在します。イッテルビウムの世界生産量は年間約 50 トンに過ぎず、商業用途が少ないことを反映しています。[ 12 ]微量のイッテルビウムは、電磁波の誘導放出を受ける元素である固体レーザーであるYb:YAG レーザーのドーパントとして使用されます。[ 17 ]
イッテルビウムは、イットリウム鉱物において最も一般的な代替元素であることが多い。ごくまれに、イッテルビウムがイットリウムよりも優勢になる例が知られている。例えば、ゼノタイム-(Yb)などである。月のレゴリスから天然のイッテルビウムが発見されたという報告がある。[ 18 ]
イッテルビウムは性質が似ているため、他のランタニドから分離するのは比較的難しい。そのため、プロセスはやや長くなる。まず、モナザイトやゼノタイムなどの鉱物を硫酸などのさまざまな酸に溶解する。次に、イオン交換によってイッテルビウムを他のランタニドから分離できる。他のランタニドも同様である。次に、溶液を樹脂に塗布し、異なるランタニドが異なる親和性で樹脂に結合する。次に、錯化剤を使用してこれを溶解し、異なるランタニドが示す異なるタイプの結合により、化合物を分離することができる。[ 19 ] [ 20 ]
イッテルビウムは、イオン交換またはナトリウムアマルガムによる還元によって他の希土類元素から分離されます。後者の方法では、三価希土類元素の緩衝酸性溶液を溶融ナトリウム-水銀合金で処理し、Yb 3+を還元して溶解します。合金を塩酸で処理します。金属はシュウ酸塩として溶液から抽出され、加熱によって酸化物に変換されます。酸化物は、高真空下でランタン、アルミニウム、セリウム、またはジルコニウムとともに加熱することにより金属に還元されます。金属は昇華によって精製され、凝縮板上に集められます。[ 21 ]
イッテルビウムの化学的挙動は、他のランタノイドと同様である。ほとんどのイッテルビウム化合物は+3の酸化状態で存在し、この酸化状態の塩はほぼ無色である。ユーロピウム、サマリウム、ツリウムと同様に、イッテルビウムの三ハロゲン化物は、水素、亜鉛粉末、または金属イッテルビウムの添加によって二ハロゲン化物に還元される。 [ 11 ] +2の酸化状態は固体化合物にのみ存在し、アルカリ土類金属化合物と類似した反応を示す。例えば、酸化イッテルビウム(II)(YbO)は酸化カルシウム(CaO)と同じ構造を示す。[ 11 ]
イッテルビウムは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素のハロゲン と二ハロゲン化物と三ハロゲン化物の両方を形成します。二ハロゲン化物は室温で三ハロゲン化物に酸化されやすく、高温では三ハロゲン化物と金属イッテルビウムに不均化します。[ 11 ]
イッテルビウムハロゲン化物の中には、有機合成の試薬として使用されるものがあります。例えば、塩化イッテルビウム(III) (YbCl 3 ) はルイス酸であり、アルドール反応[ 22 ]やディールス・アルダー反応[ 23 ]の触媒として使用できます。ヨウ化イッテルビウム(II) (YbI 2 ) は、ヨウ化サマリウム(II)と同様に、カップリング反応の還元剤として使用できます[ 24 ]。フッ化イッテルビウム(III) (YbF 3 ) は、歯の健康に良いフッ化物イオンを継続的に放出するため、不活性で無毒の歯の充填剤として使用され、優れたX 線造影剤でもあります[ 25 ]。
イッテルビウムは酸素と反応して酸化イッテルビウム(III) (Yb 2 O 3 )を形成し、これは「希土類 C 型セスキ酸化物」構造で結晶化する。この構造は、陰イオンの 4 分の 1 が除去された蛍石構造に関連しており、イッテルビウム原子は 2 つの異なる 6 配位 (非八面体) 環境にある。[ 26 ]酸化イッテルビウム(III) は、単体イッテルビウムで酸化イッテルビウム(II) (YbO)に還元することができ、これは塩化ナトリウムと同じ構造で結晶化する。[ 11 ]
十二ホウ化イッテルビウム（YbB 12）は、多くの化学的に関連する物質のさまざまな電子的および構造的特性を理解するために研究されてきた結晶性物質です。これは近藤絶縁体です。[ 27 ]これは量子物質であり、通常の条件下では、バルク結晶の内部は絶縁体ですが、表面は高い導電性を示します。[ 28 ]希土類元素の中で、イッテルビウムは安定な十二ホウ化物を形成できる数少ない元素の1つであり、この特性は比較的小さい原子半径に起因しています。[ 29 ]
1878年、イッテルビウムはスイスの化学者ジャン・シャルル・ガリサール・ド・マリニャックによって発見されました。ガドリナイトのサンプルを調べていたマリニャックは、当時エルビアとして知られていた地中の新しい成分を発見し、エルビウムの新しい成分を発見した場所の近くにあるスウェーデンの村イッテルビーにちなんで、それをイッテルビアと名付けました。マリニャックは、イッテルビアが「イッテルビウム」と名付けた新しい元素の化合物であると推測しました。[ 12 ] [ 25 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]
1907年、フランスの化学者ジョルジュ・ウルバンは、マリニャックのイッテルビアをネオイッテルビアとルテシアの2つの成分に分離した。ネオイッテルビアは後に元素イッテルビウムとして知られるようになり、ルテシアは元素ルテチウムとして知られるようになった。オーストリアの化学者カール・アウアー・フォン・ウェルスバッハは、ほぼ同時期にイッテルビアからこれらの元素を独自に分離したが、アルデバラン（Ad、アルデバランにちなんで）とカシオペイウムと名付けた。[ 12 ]アメリカの化学者チャールズ・ジェームズも、ほぼ同時期にこれらの元素を独自に分離した。[ 33 ]
ウルバンとウェルスバッハは、互いに相手方の研究結果に基づいて発表したと非難し合った。[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] 1909年、当時新元素名の命名を担当していたフランク・ウィグルスワース・クラーク、ヴィルヘルム・オストヴァルト、ジョルジュ・ウルバンからなる原子質量委員会は、マリニャックのイッテルビウムからルテチウムを分離したことを最初に記述したのはウルバンであるという事実に基づき、ウルバンに優先権を与え、彼の名前を公式に採用することでこの論争を解決した。[ 34 ]ウルバンの名前が認められた後、ネオイッテルビウムはイッテルビウムに戻された。
金属イッテルビウムは、 1936 年にヴィルヘルム・クレムとハインリヒ・ボマーによって初めて製造されました。 [ 37 ]
イッテルビウムの化学的および物理的性質は、イオン交換プロセスを使用して最初のほぼ純粋なイッテルビウム金属が製造された1953年まで正確に決定できませんでした。 [ 12 ]イッテルビウムの価格は、1953年から1998年の間、約1,000米ドル/kgで比較的安定していました。[ 38 ]
原子炉でイッテルビウムを照射する際に中性子活性化によって短寿命の175 Yb 同位体 (半減期 4.2 日)とともに生成される169 Yb同位体(半減期 32 日) は、携帯型X 線装置の放射線源として使用されています。X 線と同様に、この線源から放出されるガンマ線は体の軟組織を通過しますが、骨やその他の密度の高い物質によって遮られます。そのため、ガンマ線を放出する小さな169 Yb サンプルは、小さな物体のレントゲン撮影に役立つ小型の X 線装置のように機能します。実験では、 169 Yb 線源で撮影したレントゲン写真は、250 ～ 350 keV のエネルギーを持つ X 線で撮影したレントゲン写真とほぼ同等であることが示されています。169 Ybは核医学でも使用されています。[ 39 ]
2013年、米国国立標準技術研究所 （NIST）のイッテルビウム原子を用いた実験用原子時計2台が、安定性の記録を樹立した。NISTの物理学者たちは、イッテルビウム原子時計の刻みが1京分の2未満（1の後にゼロが18個続く数）の精度で安定しており、これは他の原子時計でこれまで発表された最高記録の約10倍の精度であると報告した。この時計は、宇宙の年齢に匹敵する期間にわたって1秒以内の精度を維持できる。これらの時計は、レーザー光で作られたパンケーキ状の井戸の列である光格子に閉じ込められた、10マイクロケルビン（絶対零度より1000万分の1度高い）までレーザー冷却された約1万個のイッテルビウム原子を利用している。1秒間に518兆回（518テラヘルツ）の「刻み」を行う別のレーザーが、原子内の2つのエネルギー準位間の遷移を引き起こす。この多数の原子が、時計の高い安定性の鍵となっている。[ 40 ]
可視光波はマイクロ波よりも速く振動するため、光時計はセシウム原子時計よりも高精度になる可能性がある。ドイツ連邦物理技術研究所は、そのような光時計をいくつか開発している。イオントラップに捕捉された単一のイッテルビウムイオンを用いたモデルは非常に高精度である。このモデルに基づく光時計は、小数点以下17桁まで正確である。[ 41 ]
イッテルビウムは、ステンレス鋼の結晶粒微細化、強度、その他の機械的特性を向上させるための添加剤としても使用できます。一部のイッテルビウム合金は、歯科分野ではまれに使用されています。[ 9 ] [ 12 ]
Yb 3+イオンは、活性レーザー媒体、特に固体レーザーやダブルクラッドファイバーレーザーのドーピング材料として使用されます。イッテルビウムレーザーは高効率で長寿命であり、短いパルスを生成できます。また、イッテルビウムはレーザーの製造に使用される材料に容易に組み込むことができます。[ 42 ]イッテルビウムレーザーは、ホストや用途に応じて、波長 900 nm～1 μm で光ポンピングされ、一般的に 1.03～1.12 μmの帯域で放射します。量子欠陥が小さいため、イッテルビウムは高効率レーザーや出力スケーリングの有望なドーパントとなっています。[ 43 ]
イッテルビウム添加材料における励起の運動は単純で、有効断面積の概念で説明できます。ほとんどのイッテルビウム添加レーザー材料（他の多くの光ポンピング利得媒体と同様）では、マッカンバー関係が成り立ちますが、[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]イッテルビウム添加複合材料への適用については議論されていました。[ 47 ] [ 48 ]
通常、イッテルビウムは低濃度で使用されます。高濃度では、イッテルビウムをドープした材料は、効率的なレーザー動作の代わりに、光による黒化[ 49 ]（ガラス繊維）や広帯域発光への変化[ 50 ] （結晶およびセラミックス）を示します。この効果は、過熱だけでなく、高濃度のイッテルビウムイオンにおける電荷補償条件にも関連している可能性があります。 [ 51 ]
イッテルビウム（Yb）添加光ファイバーで製造された出力スケーリングレーザーおよび増幅器において、大きな進歩が見られました。 コンポーネントとYb添加ファイバーの進歩により、出力レベルは1kW領域から増加しました。低NA、大モード面積ファイバーの製造により、広帯域構成で約1064nmにおいて1.5kWから2kW を超える出力レベルでほぼ完璧なビーム品質（M2<1.1）を達成できます。 [ 52 ]イッテルビウム添加LMAファイバーには、モードフィールド径が大きいという利点もあり、高出力レベルの達成を制限する誘導ブリルアン散乱や誘導ラマン散乱などの非線形効果の影響を打ち消し、シングルモードイッテルビウム添加ファイバーよりも明確な利点を提供します。
イッテルビウムベースのファイバーシステムでさらに高い出力レベルを達成するには、ファイバーのすべての要素を考慮する必要があります。これは、コアの背景損失から幾何学的特性まで、すべてのイッテルビウムファイバーパラメータを最適化して、キャビティ内のスプライス損失を低減することによってのみ達成できます。出力スケーリングには、光キャビティ内のマッチングパッシブファイバーの最適化も必要です。[ 53 ]さまざまなドーパントによるホストガラスの改質によるイッテルビウム添加ガラス自体の最適化も、ガラスの背景損失の低減、ファイバーの傾斜効率の向上、および光暗化性能の向上に大きく貢献し、これらすべてが1μm システムでの出力レベルの向上に寄与します。
荷電イオン171 Yb + は、量子コンピューティング用のトラップイオン量子ビットとして、複数の学術グループや企業で使用されています。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]モルマー・ソーレンセンゲートなどのエンタングルメントゲートは、モード同期パルスレーザーでイオンをアドレス指定することによって実現されています。[ 57 ]
イッテルビウム金属は、高応力を受けると電気抵抗率が増加する。この性質は、地震や爆発による地盤変形を監視する応力計に利用されている。[ 58 ]
現在、イッテルビウムは、運動学的赤外線デコイフレア用の高密度火工品ペイロードにおけるマグネシウムの代替品として研究されている。イッテルビウム(III)酸化物は、酸化マグネシウムよりも赤外線領域での放射率が著しく高いため、マグネシウム/テフロン/バイトン（MTV）をベースとした一般的なペイロードと比較して、イッテルビウムベースのペイロードではより高い放射強度が得られる。[ 59 ]
室温の乾燥空気中では、イッテルビウムの表面はゆっくりと酸化し、粉末状では空気中で自然発火する。[ 60 ] : 974空気や湿気から保護するため、窒素充填ドライボックスなどの不活性雰囲気下で気密容器に保管される。[ 61 ]イッテルビウムのすべての化合物は毒性が非常に高いとされているが、研究によると危険性は最小限であるようだ。しかし、イッテルビウム化合物は人間の皮膚や目に刺激を与え、一部は催奇形性がある可能性がある。[ 62 ]
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