NGUYÊN TỐ HỌ LANTAN – YTERRBIUM

I. GIỚI THIỆU CHUNG
Ytterbi được nhà học hóa người Thụy Điển Jean Charles Galissard de Marignac phát hiện năm 1878. Marignac đã tìm thấy một thành phần mới trong đất, on gọi là erbia và sau đó đặt tên cho nó là ytterbia (theo tên Ytterby, một ngôi làng ở Thụy Điển nơi ông tìm thấy thành phần mới này). Ông nghi ngờ rằng ytterbia là một hỗn hợp của nguyên tố mới mà ông gọi là ytterbi.
Năm 1907, nhà hóa học người Pháp Georges Urbain tách ytterbia của Marignac thành hai thành phần: neoytterbia và lutecia. Neoytterbia có thể sau này được gọi là nguyên tố ytterbi, và lutecia có thể là nguyên tố luteti. Cùng lúc đó, Auer von Welsbach đã tách hoàn toàn các nguyên tố này từ ytterbia, nhưng ông gọi chúng là aldebarani và cassiopei.
Mãi đến năm 1953, các tính chất vật lý và hóa học của ytterbi đã không được xác định, khi ytterbi gần như tinh khiết đầu tiên được sản xuất.
II. TÍNH CHẤT VẬT LÝ
Yterrbi là một nguyên tố đất hiếm, thuộc họ lanthanide, có kí hiệu là Yb, số thứ tự là 70. Nó được tìm thấy trong các khoáng vật như gadolinite, mozanit, xenotime. Nguyên tố này đôi khi liên kết với yttrium và một số nguyên tố liên quan khác được sử dụng trong một số loại thép. Yterrbi tự nhiên là một hỗn hợp của 7 đồng vị bền. Yterrbi-169 là một đồng vị nhân tạo, được sử dụng trong nguồn tạo tia gamma.
Yterrbi là một kim loại mềm, dẻo, có ánh bạc đặc trưng. Yterrbi có cấu trúc mạng tinh thể bó chặt. Yterrbi có ba dạng thù hình gọi là alpha , beta, gamma. Dạng beta tồn tại bền ở nhiệt độ phòng và có cấu trúc tâm diện và dẫn điện. Nó trở thành chất bán dẫn khi ở áp suất 16000 atm, trong khi đó dạng gamma tồn tại được ở nhiệt độ cao và có cấu trúc tâm khối.
Ngược với các kim loại đất hiếm khác, Yterrbi có tính nghịch từ khi ở nhiệt độ thấp và thuận từ khi ở bất cứ nhiệt độ nào trên 1K. Yterrbi nóng chảy ở 824C và sôi ở 1196C, điều này làm cho nó có khoảng hóa loảng hẹp hơn các kim loại khác.

III. ĐỒNG VỊ
Yterrbi tự nhiên bao gồm 7 đồng vị bền: ytterbium-168 (chiếm 0,13), ytterbium-170 (chiếm 3,04), ytterbium-171 (chiếm 14,28), ytterbium-172 (chiếm 21,83), ytterbium-173 (chiếm16,13), ytterbium- 174 (chiếm 31,83)- đây là đồng vị phổ biến nhất, và ytterbium-176 (chiếm 12,76).
Trong đó đồng vị ổn định nhất là Yb-169 có chu kì bán rã là 32,026 ngày, Yb-175 là 4,185 ngày, và Yb-166 là 56,7 giờ. Tất cả đồng vị còn lại có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 2 giờ, và đa số trong đó có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 20 phút.

IV. TÍNH CHẤT HÓA HỌC
1) KIM LOẠI YTERRBI (Yb)
Yterrbi dễ bị phủ màng oxit trong không khí và có thể tự bốc cháy ở 200C tạo thành hỗn hợp oxit là Yterrbi III oxit (Yb2O3) và Yterrbi monoxit (YbO, kém bền hơn ):
Yb + O¬2  Yb2O3
Yterrbi khá âm điện, bị thụ động trong nước lạnh, nhưng dễ dàng tan trong nước nóng tạo thành hydroxit:
2 Yb (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Yb (OH) 3 (dd) + 3 H 2 ↑ (g)
Kim loại Yterrbi dể dàng phản ứng với tất cả các halogen:
2 Yb (s) + 3 F 2 (g) → 2 YbF 3 (s) (trắng)
2 Yb (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 YbCl 3 (s) (trắng)
2 Yb (s) + 3 Br 2 (g) → 2 YbBr 3 (s) (trắng)
2 Yb (s) + 3 I 2 (g) → 2 YbI 3 (s) (trắng)
Ion Yb+3 hấp thụ ánh sáng trong dãi quang phổ hồng ngoại (nằm ngoài vùng khả kiến), do đó kim loại Yb có màu trắng và muối của Yb với anion không màu cũng không màu.
Ngoài ra, Yterrbi còn tác dụng được với một số phi kim như S, P, C, Si, N2 ở nhiệt độ cao:
2Yb + 3S → Yb2S3 (vàng)
Yterrbi dễ dàng tan trong dung dịch axit loãng tạo thành dung dịch có chứa ion Yb+3 không màu hoặc tạo thành dưới dạng phức là [Yb(OH2 )9]3+:
2Yb (s) + 3H 2SO 4 (l) → 2Yb 3 + (l) + 3SO42- (l) + 3H2¬↑ (g)
Yterrbi cung thể hiện tính chất của một kim loại, phản ứng với acid loãng và acid đặc tạo muối và giải phóng khí, đồng thời bị oxi hóa đến số oxi hóa cao nhất:
2Yb + 6HCl loãng → 2YbCl3 + 3H2↑
Yb + 6H NO3 đặc → Yb(NO3)3 +3NO2↑ + H2O

2) HỢP CHẤT CỦA YTERRBI
Yterrbi có cấu hình electron là [Xe]4f146s2, nên có trạng thái oxi hóa bền đặc trưng là +3. Nhưng do sự ảnh hưởng của sự co lantanic và cách điền các electron vào orbitan 4f, làm cho tổng năng lượng ion hóa của Yterrbi tăng. Do đó các electron orbitan 4f có khuynh hướng chuyển sang orbitan 5d có năng lượng ion hóa thấp hơn để năng lượng mạng phân tử ổn định hơn. Nên ngoài số oxi hóa là +3, Yterrbi còn có thể có số oxi hóa +2 (nhưng kém bền hơn).
a) Yterrbi (III) Oxit
• Yterrbi (III) oxit (Yb2O3): là chất rắn không màu, rất khó nóng chảy và bền nhiệt. Yb2O3 không tan trong nước nguội, dung dich kiềm và hidrat ammoniac. Yterrbi (III) oxit thể hiện tính bazơ: tác dụng với nước nóng vá acid.
Yb2O3 + 3H2O 2Yb(OH) 3 ↓
Vừa mang tính chất của một oxit kim loại:
Yb2O3 + HCl loãng → 2YbCl3 + H2O
Yb2O3 + H2SO4 đặc → Yb2(SO4)3 + 3H2O
Yb2O3 bị lantan (La) khử đến Yterrbi kim loại:
Yb2O3 + 2La → 2Yb + La2O3
Oxit của Yb(III) được điều chế bằng cách đốt cháy kim loại Yb trong Oxi:
4Yb + 3O2 2Yb2O3
Hoặc là nhiệt phân muối Yterrbi (III) sunfat:

2Yb2(SO4) 2Yb2O3 + 6SO2 + 3O2

b) MUỐI Yb (II)
Hợp chất Yb (II) cũng giồng như các hợp chất đất hiếm có hóa trị thấp khác, Yterrbi (II) là một chất khử mạnh, không bền trong nước và có thể khử nước thành khí hydro. Ví dụ muối Yterrbi (II)clorua:
YbCl2 + 6H2O Yb(OH)3↓ + 4YbCl3 + 3H2↑
Hoặc: YbCl2 + 6H2O → [Yb(H2O)n]2- + 2Cl-
Hợp chất của Yb(II) cũng dễ dàng tan trong axit loãng:
2YbCl¬2 + 2HCl → 2YbCl3 + H2↑
Hợp chất Yb (II) được điều chế lần đầu tiên năm 1929 bởi WK. Klemm và W.Schuth bằng cách dùng Hydro khử hợp chất Yb (III) thành Yb(II):
2 YbCl 3 + H 2 → 2 YbCl 2 + 2 HCl
Nhiệt phân muối Yb(III) clorua hoặc điện phân dung dịch, cũng thu được muối Yb(II):
2YbCl3 2YbCl¬2 + Cl2 (1300-1400oC)
YbCl3 (dd) 2YbCl¬2 (catot) + Cl2 (anot)



c) MUỐI Yb(III)
• Yterrbi (III) clorua (YbCl3): là một tinh thể rắn, có màu trắng, nhiệt độ nóng chảy khoản từ 865oC - 875oC, bị phân hủy ở nhiệt độ cao khoảng 1300oC - 1400oC.
2YbCl3 2YbCl¬2 + Cl2
YbCl3 bị thủy phân kém:
YbCl3 + 8H2O → [Yb(H2O)3]3+ + 3Cl- (pH < 7)
Thể hiện tính acid: YbCl3 + NaOH → Yb(OH) 3 ↓ + 3NaCl
YbCl3 + 3NH3.H2O → Yb(OH) 3 ↓ + 3NH4Cl
Tham gia phản ứng trao đổi với muối halogen của kim loại kìm (halogen đứng trước đẩy halogen đứng sau):
YbCl3 + 3NaF → YbF3 ↓+ 3NaCl
Thể hiện tính oxi hóa:
2YbCl3 + H2 → 2YbCl2 + 2HCl
Bị điện phân trong dung dịch tạo thành dd chứa ion Yb2+:
2YbCl3 (dd) 2YbCl2 + Cl2 ↑
2YbCl3 (dd) + Na2SO4 (dd) 2YbSO4 ↓+ Cl2 ↑+ 4NaCl
Hidrat Yterrbi (III) clorua bị mất nước ở 180oC khi có mặt chất xúc tác NH4Cl:
YbCl3.6H2O YbCl3 + 6H2O
Điều chế YbCl3: Yterrbi (III) clorua được điều chế từ Yb2O3 với chất xúc tác như sau:
Yb2O3 YbCl3 + CO2 ↑
Hoặc: Yb2O3 YbCl3

• Yterrbi (III) sunfat- Yb2(SO4)3: không màu, có tính chất hóa học giống như YbCl3.
2Yb2(SO4)3 2Yb2O3 + 6SO2 +3 O2 ( Ở 900 oC)
Yb2(SO4)3.8H2O Yb2(SO4)3 + 8H2O
Yb2(SO4)3 loãng + 16 H2O → 2 [Yb(H2O)8]3+ + 3SO42-
[Yb(H2O)8]3+ + H2O [Yb(H2O)7(OH)]2+ + H3O+ (pK=7.37)
Yb2(SO4)3 + 6NaOH loãng → 2Yb(OH) 3 ↓ + 3Na2SO4
Yb2(SO4)3 + 6NH3.H2O → 2Yb(OH) 3 ↓ + 3(NH4)2SO4
Yb2(SO4)3 + 2H2 YbSO4↓ + H2SO4
V. ỨNG DỤNG
Yterrbi rất ít được sử dụng phổ biến. Trong lĩnh vực ngành công nghiệp hiện đại, Yterrbi chủ yếu được sử dụng làm chất phụ gia trong các vật liệu như nam châm vĩnh cửu Yb-Fe-B, nó được thêm vào các hợp kim để làm thay đổi một số tính chất cơ học như thép không gỉ, vật liệu ghi hình ảnh từ tính, chất pha loãng nhiên liệu hạt nhân. Trong lĩnh vực viễn thông và quan học Yterrbi được xem như một chất bán dẫn sử dụng trong các bộ phận khuếch đại. Ngoài ra, một số đồng vị của Yterrbi còn là nguồn bức xạ trong các máy tia X
Trong tương lai, nguyên tố này ngày càng được nghiên cứu sâu hơn về tính chất vật lý cũng như tính chất hóa học. Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày rộng hơn của nhiều ngành quan trọng như công nghiệp hiện đại, y tế, thông tin, đặc biệt là ngành hóa học sau này.