Introduction
L’ytterbium est un élément chimique de numéro atomique 70٫ appartenant à la série des lanthanides٫ obtenue à partir de l’oxyde d’ytterbium٫ un composé chimique issu des éléments terres rares.
Structure
L’ytterbium présente une configuration électronique [Xe] 4f14 6s2, caractérisée par une sous-couche 4f complète et une sous-couche 6s occupée par deux électrons.
L’ytterbium possède un rayon atomique de 194 pm et une électronegativité de 1,1, valeurs typiques des éléments de la série des lanthanides.
Configuration électronique
L’ytterbium, élément de numéro atomique 70, présente une configuration électronique caractéristique des lanthanides. La sous-couche 4f est complète, avec 14 électrons, ce qui explique les propriétés chimiques et physiques particulières de l’ytterbium. La configuration électronique peut être notée [Xe] 4f14 6s2, où [Xe] représente la configuration électronique du xénon, gaz noble précédent dans le tableau périodique. Les 14 électrons de la sous-couche 4f sont répartis selon les règles de Hund et de Aufbau, ce qui conduit à une configuration électronique stable et résistante aux perturbations extérieures. Cette configuration électronique spécifique influence les propriétés chimiques et physiques de l’ytterbium, notamment sa réactivité et ses états d’oxydation.
Rayon atomique et électronegativité
Le rayon atomique de l’ytterbium est de 194 pm, ce qui est relativement faible comparé à d’autres éléments de la même période. Cela s’explique par la contraction lanthanide, phénomène qui résulte de l’augmentation de la charge nucléaire effective liée à l’ajout d’électrons dans la sous-couche 4f. L’électronegativité de l’ytterbium est de 1,1 sur l’échelle de Pauling, ce qui est relativement faible comparé à d’autres métaux de transition. Cette valeur indique que l’ytterbium a tendance à perdre des électrons pour former des cations, ce qui influe sur ses propriétés chimiques et ses réactions avec d’autres éléments. Le rayon atomique et l’électronegativité de l’ytterbium jouent un rôle important dans la compréhension de ses propriétés physiques et chimiques.
Propriétés chimiques
L’ytterbium présente des propriétés chimiques caractéristiques des éléments de la série des lanthanides, notamment une forte réactivité et une tendance à former des ions trivalents.
Réactivité
La réactivité de l’ytterbium est principalement liée à sa configuration électronique, qui lui confère une forte tendance à perdre trois électrons pour atteindre une configuration électronique stable.
Cette réactivité se manifeste notamment par une forte affinité pour les électrons, ce qui explique sa capacité à former des ions trivalents.
L’ytterbium réagit également avec les halogènes, tels que le fluor ou le chlore, pour former des composés halogénures stables.
Enfin, l’ytterbium est également capable de réagir avec les métaux alcalins pour former des alliages métalliques.
Ces propriétés de réactivité font de l’ytterbium un élément utile dans de nombreuses applications industrielles et technologiques.
États d’oxydation
L’ytterbium peut exister sous différents états d’oxydation, mais les plus courants sont +2 et +3.
L’état d’oxydation +2 est relativement rare et est généralement observé dans les composés où l’ytterbium est lié à des ligands fortement réducteurs.
L’état d’oxydation +3 est beaucoup plus commun et est caractéristique de la plupart des composés d’ytterbium, tels que l’oxyde d’ytterbium (Yb2O3) ou les halogénures d’ytterbium.
Ces états d’oxydation influent sur les propriétés chimiques et physiques de l’ytterbium, ainsi que sur ses applications industrielles et technologiques.
La maîtrise des états d’oxydation de l’ytterbium est donc essentielle pour comprendre et exploiter ses propriétés.
Propriétés physiques
L’ytterbium est un métal tendre, ductile et malléable, présentant une densité de 6,97 g/cm³ et une couleur argentée blanche brillante.
Énergie d’ionisation
L’énergie d’ionisation de l’ytterbium est la quantité d’énergie requise pour retirer un électron de l’atome d’ytterbium dans son état fondamental. Cette grandeur est importante pour comprendre les réactions chimiques impliquant cet élément.
La première énergie d’ionisation de l’ytterbium est de 603,4 kJ/mol, ce qui signifie que cela nécessite 603,4 kilojoules d’énergie pour retirer un électron de l’atome d’ytterbium. Les énergies d’ionisation suivantes sont encore plus élevées, ce qui rend difficile l’ionisation de l’ytterbium.
Ces valeurs sont importantes pour prévoir les réactions chimiques de l’ytterbium et pour comprendre ses propriétés chimiques.
Point de fusion et point d’ébullition
Le point de fusion de l’ytterbium est la température à laquelle cet élément change d’état solide à liquide. Il vaut 1092 K (819°C ou 1506°F).
Le point d’ébullition de l’ytterbium est la température à laquelle cet élément change d’état liquide à gazeux. Il vaut 1466 K (1193°C ou 2180°F).
Ces valeurs sont importantes pour comprendre les propriétés physiques de l’ytterbium et pour définir les conditions de travail optimales lors de son usage dans diverses applications.
Les points de fusion et d’ébullition de l’ytterbium sont influencés par sa structure électronique et ses interactions interatomiques.
Utilisations
L’ytterbium est utilisé dans divers domaines tels que la catalyse, la fabrication d’aimants et de lasers, la production de phosphores et de verre, ainsi que dans l’industrie métallurgique.
Catalyseurs
L’ytterbium est utilisé comme catalyseur dans certaines réactions chimiques, en particulier dans la production de produits pétrochimiques. Ses propriétés chimiques uniques, telles que son faible potentiel d’ionisation et sa grande surface spécifique, en font un catalyseur efficace pour certaines réactions de craquage et de reformage.
Dans ce contexte, l’ytterbium peut être utilisé sous forme d’oxyde, de carbonate ou de nitrate, lesquels sont souvent mélangés avec d’autres composés pour former des catalyseurs complexes. Les catalyseurs à base d’ytterbium sont généralement plus stables et plus résistants à la dégradation que les catalyseurs traditionnels, ce qui en fait une option attractive pour les industries pétrochimiques.
Aimants et lasers
L’ytterbium est également utilisé dans la fabrication d’aimants permanents de haute performance, tels que les aimants de néodyme-fer-bore. L’ajout d’ytterbium à ces alliages améliore leur coercivité et leur résistance à la démagnétisation.
En outre, l’ytterbium est employé dans les lasers à fibre optique, où il est utilisé comme dopant pour amplifier les signaux lumineux. Les lasers à ytterbium sont particulièrement utiles pour les applications nécessitant une grande puissance et une grande stabilité, telles que la spectroscopie, la métrologie et les communications optiques;
Phosphores et verre
L’ytterbium est utilisé dans la fabrication de phosphores, qui sont des matériaux émettant de la lumière après excitation par une source de radiation. Les phosphores à base d’ytterbium sont employés dans divers domaines, tels que la radiologie, la détection de rayons X et la sécurité.
De plus, l’ytterbium est ajouté à certaines formules de verre pour améliorer leurs propriétés optiques. Le verre dopé à l’ytterbium présente une absorption selective des radiations électromagnétiques, ce qui en fait un matériau intéressant pour les applications optiques et photoniques.
Production
L’ytterbium est produit à partir des minerais de terres rares, notamment la bastnasite et la monazite, par un processus complexe d’extraction et de raffinage.
Extraction
L’extraction de l’ytterbium est un processus complexe qui implique plusieurs étapes. Les minerais de terres rares, tels que la bastnasite et la monazite, sont tout d’abord broyés et moulus pour en extraire les oxydes de terres rares.
Ensuite, ces oxydes sont traités par une combinaison de méthodes physiques et chimiques, telles que la flotation, la magnétoseparation et la cristallisation, pour séparer les différents éléments.
Les terres rares sont ainsi séparées en deux groupes ⁚ les terres rares légères (LREE) et les terres rares lourdes (HREE), l’ytterbium faisant partie de ce dernier groupe.
Cette séparation permet d’obtenir une concentration d’ytterbium de qualité suffisante pour être envoyée en raffinage.
Raffinage
Le raffinage de l’ytterbium implique une série de traitements chimiques et électrolytiques pour obtenir un métal de haute pureté.
Tout d’abord, la poudre d’ytterbium est dissoute dans un acide pour former un sel d’ytterbium, qui est ensuite précipité par ajout d’un agent réducteur.
Le précipité est ensuite lavé et séché pour éliminer les impuretés résiduelles.
Enfin, l’ytterbium est fondu électrolytiquement pour produire un métal de haute pureté, généralement supérieure à 99,9%.
Ce métal est alors prêt à être utilisé dans diverses applications, notamment la fabrication de catalyseurs, d’aimants et de lasers.