Ytterbium – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

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Vorkommen und Gewinnung

Ytterbium zählt zu den schweren Seltenen Erden, näheres steht bei Lanthan. In der Erdkruste ist Wolfram seltener als Ytterbium. Man gewinnt es aus Xenotim, der es in nennenswerten Anteilen enthält, aus Monazit und aus den Ionenadsorptionstonen Südchinas. Eine Besonderheit erleichtert die Trennung. Wie Europium und Samarium lässt sich Ytterbium aus der dreifach positiven in die zweifach positive Form überführen, etwa durch Reduktion in Lösung. Die zweiwertigen Ionen verhalten sich chemisch anders als die dreiwertigen Nachbarn und lassen sich deshalb leichter abtrennen. Weil das Metall leicht verdampft, erhitzt man das Oxid zusammen mit Lanthan im Vakuum, und das Ytterbium destilliert ab.

Der Schweizer Chemiker Jean Charles de Marignac erhitzte im Jahr 1878 Erbiumnitrat und erhielt dabei zwei Oxide. Das eine war das bekannte Erbiumoxid, das andere war neu. Er nannte es nach dem Fundort Ytterby Ytterbia. Damit steht der Name in einer Reihe mit Yttrium, Terbium und Erbium, die Geschichte des Ortes steht beim Yttrium. Knapp dreißig Jahre später zeigte sich, dass auch Marignacs Ytterbia noch ein Gemisch war, in dem ein weiteres Element steckte.

Eigenschaften und Reaktionen

Ytterbium ist das vierzehnte und vorletzte Lanthanoid, mit ihm ist die 4f-Unterschale gefüllt. Zu seinen Nachbarn zählen in Periode 6 links das Thulium und rechts das Lutetium. Dem Atom entspricht die Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 6s². Das Metall schmilzt bei 819 °C und siedet bei 1196 °C, beides weit niedriger als bei den Nachbarn. Auch die Dichte von 6,9 g/cm³ ist geringer. Das Metall läuft an der Luft langsam an.

Der Grund für die Sonderrolle ist die gefüllte 4f-Unterschale. Sie ist so stabil, dass das Atom sie ungern angreift. Im Metall steuert deshalb jedes Atom nur zwei Elektronen zur Bindung bei statt drei. Der Zusammenhalt ist schwächer, das Metall schmilzt früher, und die Atome brauchen mehr Platz, sodass die Dichte klein bleibt.

Auch in Verbindungen kann Ytterbium zweiwertig auftreten. Das Yb²⁺-Ion besitzt die gefüllte Schale 4f¹⁴ und ist stabiler als die zweiwertigen Ionen der meisten Lanthanoide. Es wirkt aber als starkes Reduktionsmittel: In Wasser wird es rasch zu Yb³⁺ oxidiert und setzt dabei Wasserstoff frei. Das dreiwertige Ion ist farblos, nimmt aber im nahen Infrarot um 980 Nanometer Licht auf, und genau dort pumpt man Ytterbium-Laser. Weil es nur zwei Gruppen von Energiezuständen hat, geht beim Laserbetrieb wenig Energie als Wärme verloren.

Verwendung in Alltag und Technik

Berühmt ist Ytterbium für seine Uhren. In einer optischen Gitteruhr hält ein Gitter aus Laserlicht Tausende Ytterbium-Atome gleichzeitig an festen Plätzen fest. Ein Uhrenlaser mit orangegelbem Licht von 578 Nanometern regt einen besonders scharfen Übergang der Atome an, und seine Schwingungen werden gezählt. Sichtbares Licht schwingt über fünfzigtausendmal häufiger pro Sekunde als die Mikrowellen in Caesium-Atomuhren. Die besten dieser Uhren gehen so genau, dass sie in einer Zeit von der Länge des Weltalters kaum mehr als eine Sekunde abwichen. Man erwartet, dass die Sekunde eines Tages mit solchen optischen Uhren neu festgelegt wird. Sie reagieren sogar auf die Schwerkraft: Bei einem Höhenunterschied von wenigen Zentimetern gehen sie messbar verschieden schnell.

Wirtschaftlich wichtiger sind Ytterbium-Faserlaser. Der Kern der Glasfaser enthält Yb³⁺-Ionen, Pumpdioden regen sie an, und die Faser sendet Laserlicht um 1000 Nanometer aus. Die Geräte arbeiten mit gutem Wirkungsgrad und erreichen Leistungen von vielen Kilowatt. Sie schneiden und schweißen Bleche in der Autoindustrie, gravieren Bauteile und schmelzen Metallpulver im 3D-Druck. Ytterbium-dotierte Kristalle liefern zudem ultrakurze Pulse, mit denen sich Material fast ohne Hitze bearbeiten lässt.

Ytterbiumverbindungen gelten als wenig giftig.

Kurz gefragt

Welche Ordnungszahl hat Ytterbium (Yb)?

Häufige Fragen