이터븀

3. 물리적 성질

이터븀은 무르고, 전성이 크며 연성이 큰 금속 원소이다.^[1] 신선하게 준비된 이터븀은 금색을 띤다.^[1] 희토류 원소이며, 강한 무기산에 쉽게 용해된다.^[1] 물에 서서히 녹으며, 산과 액체 암모니아에도 녹는다. 수소와 할로겐과도 반응한다.

이터븀은 알파, 베타, 감마의 세 가지 동소체를 가진다.^[1] 변태 온도는 −13 °C와 795 °C이지만,^[1] 정확한 변태 온도는 압력과 응력에 따라 달라진다.^[3]

• 알파 동소체 (6.903 g/cm³)는 육방정계 결정 구조를 가지며 저온에서 안정적이고,^[14] 반자성이다.^[3]
• 베타 동소체 (6.966 g/cm³)는 상온에서 존재하며, 면심입방 결정 구조를 가진다.^[1] 정상적인 대기압에서 금속적인 전기 전도도를 가지지만, 약 16,000 기압 (1.6 GPa)에서 반도체가 된다.^[1][8] 전기 저항률은 39,000 기압 (3.9 GPa)에서 10배 증가하지만, 약 40,000 기압 (4.0 GPa)에서는 상온 저항률의 약 10%로 떨어진다.^[1][8]
• 감마 동소체 (6.57 g/cm³)는 체심입방 결정 구조를 가진다.^[1]

4. 화학적 성질

이터븀 금속은 공기 중에서 느리게 광택을 잃고, 고운 분말 형태에서는 산소 존재 하에 쉽게 산화된다. 이터븀 가루를 폴리테트라플루오로에틸렌이나 헥사클로로에탄과 섞어 태우면 밝은 에메랄드색 빛을 낸다.^[4] 수소와는 비화학량론적 수소화물을 생성한다.^[14] 물과는 천천히 반응하지만, 산성 용액에서는 수소 기체를 생성하며 빠르게 반응한다.^[14]

이터븀은 전기 양성적인 금속으로, 찬물과는 천천히, 따뜻한 물과는 빠르게 반응하여 수소 기체를 생성한다.^[5]

:2 Yb (s) + 6 H₂O (l) → 2 Yb(OH)₃ (aq) + 3 H₂ (g)

이터븀은 모든 할로젠 원소와 반응하여 흰색 이온 결합 화합물을 생성한다.^[5]

:2 Yb (s) + 3 F₂ (g) → 2 YbF₃ (s) [흰색]

:2 Yb (s) + 3 Cl₂ (g) → 2 YbCl₃ (s) [흰색]

:2 Yb (s) + 3 Br₂ (l) → 2 YbBr₃ (s) [흰색]

:2 Yb (s) + 3 I₂ (s) → 2 YbI₃ (s) [흰색]

이터븀(III) 이온은 근적외선 파장의 빛을 흡수하지만 가시광선은 흡수하지 않아 산화이터븀(Yb₂O₃)은 흰색을 띠며, 다른 이터븀 염들도 무색이다.^[5] 이터븀은 묽은 황산에 쉽게 녹아 무색의 Yb(III) 이온을 포함하는 용액을 형성하며, 이 이온은 노나수화물 착물로 존재한다.^[5]

:2 Yb (s) + 3 H₂SO₄ (aq) + 18 H₂O (l) → 2 [Yb(H₂O)₉]³⁺ (aq) + 3 SO₄^2- (aq) + 3 H₂ (g)

이터븀은 주로 +3가 상태를 가지지만, +2가 화합물도 쉽게 형성한다. 이는 란타넘족 원소에서는 드문 현상이다. +2 상태는 완전히 채워진 f-껍질(4f¹⁴ 전자 배열)이 안정성을 제공하기 때문이다. 노란색을 띤 녹색의 이터븀(II) 이온은 매우 강한 환원제로, 물을 분해하여 수소 기체를 방출하므로 수용액에서는 무색의 이터븀(III) 이온만 존재한다. 사마륨과 툴륨도 +2 상태에서 이와 비슷하게 행동하지만, 유로피움(II)은 수용액에서 안정하다. 이터븀 금속은 유로피움 금속 및 알칼리 토금속과 유사하게 액체 암모니아에 용해되어 청색의 전자화물 염을 형성한다.^[14]

5. 동위원소

이터븀은 자연에서 ¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁰Yb, ¹⁷¹Yb, ¹⁷²Yb, ¹⁷³Yb, ¹⁷⁴Yb, ¹⁷⁶Yb의 7가지 안정 동위 원소로 구성되어 있으며, 이 중 ¹⁷⁴Yb이 31.8%로 가장 풍부하다.^[6] 27가지의 방사성 동위 원소가 알려져 있으며, 가장 안정한 것은 반감기가 32.0일인 ¹⁶⁹Yb, 반감기가 4.18일인 ¹⁷⁵Yb, 반감기가 56.7시간인 ¹⁶⁶Yb이다. 나머지 방사성 동위 원소는 모두 반감기가 2시간 미만이며, 대부분 20분 미만이다. ¹⁷⁴Yb보다 가벼운 이터븀 동위 원소는 주로 전자 포획을 통해 툴륨(Tm) 동위 원소로 붕괴하고, ¹⁷⁴Yb보다 무거운 동위 원소는 주로 베타 붕괴를 통해 루테튬(Lu) 동위 원소로 붕괴한다.^[6]

6. 존재 및 생산

이터븀은 여러 희귀 광물에서 다른 희토류 원소들과 함께 발견되며, 상업적으로는 주로 모나자이트 모래에서 추출된다. 이 원소는 유크세나이트와 크세노타임에서도 발견된다. 주요 채굴 지역은 중국, 미국, 브라질, 인도, 스리랑카, 그리고 오스트레일리아 등이다. 이터븀 화합물은 드물며 아직까지 특성이 잘 규명되지 않았다. 지구 지각에서 이터븀의 존재비는 약 3 mg/kg이다.^[8] 세계 생산량은 연간 약 50톤에 불과하며, 이는 상업적 용도가 거의 없음을 반영한다.^[8] 이터븀의 미량은 Yb:YAG 레이저의 첨가제로 사용된다.^[9]

이터븀은 다른 란타넘족 원소와 성질이 비슷하여 분리하기가 비교적 어렵다. 먼저, 모나자이트나 크세노타임과 같은 광물을 황산과 같은 다양한 산에 녹인다. 그런 다음, 이온 교환을 통해 다른 란타넘족 원소로부터 분리한다. 용액을 수지에 통과시키면, 서로 다른 란타넘족 원소들이 서로 다른 친화도로 결합하며, 착화제를 사용하여 용액을 녹여 화합물을 분리한다.^[11][12]

6. 1. 존재

6. 2. 생산

7. 화합물

이터븀은 다른 란타넘족 원소들과 비슷한 화학적 성질을 보인다. 대부분의 화합물에서 +3의 산화수를 가지며, 3가 이터븀 이온을 포함한 염은 대부분 흰색이다.^[1] 유로퓸, 사마륨, 툴륨과 마찬가지로, 이터븀의 삼할로젠화물(YbX₃)은 수소나 아연 가루, 이터븀 금속에 의해 이할로젠화물(YbX₂)로 환원될 수 있다.^[14]

이터븀은 고체 화합물에서만 +2의 산화수를 가지며, 이러한 화합물은 알칼리 토금속 화합물과 비슷한 양상을 보인다. 예를 들어, 산화 이터븀(II)(YbO)는 산화 칼슘(CaO)과 같은 구조를 갖는다.^[14]

이터븀은 매우 전기 양성적이며, 차가운 물과는 천천히, 뜨거운 물과는 매우 빠르게 반응하여 이터븀(III) 수산화물을 형성한다.^[5]

:2 Yb (s) + 6 H₂O (l) → 2 Yb(OH)₃ (aq) + 3 H₂ (g)

이터븀은 모든 할로젠과 반응한다.^[5]

:2 Yb (s) + 3 F₂ (g) → 2 YbF₃ (s) [흰색]

:2 Yb (s) + 3 Cl₂ (g) → 2 YbCl₃ (s) [흰색]

:2 Yb (s) + 3 Br₂ (l) → 2 YbBr₃ (s) [흰색]

:2 Yb (s) + 3 I₂ (s) → 2 YbI₃ (s) [흰색]

이터븀(III) 이온은 근적외선 파장 범위의 빛을 흡수하지만 가시광선은 흡수하지 않으므로 이터비아(Yb₂O₃)는 흰색이며 이터븀 염도 무색이다. 이터븀은 묽은 황산에 쉽게 녹아 무색의 Yb(III) 이온을 포함하는 용액을 형성하며, 이 이온은 노나수화물 착물로 존재한다.^[5]

:2 Yb (s) + 3 H₂SO₄ (aq) + 18 H₂O (l) → 2 [Yb(H₂O)₉]³⁺ (aq) + 3 SO₄^2- (aq) + 3 H₂ (g)

7. 1. 주요 화합물

8. 용도

Yb^영어3+ 이온은 고체 레이저, 이중 클래드 광섬유 레이저와 같은 레이저에서 도핑 재료로 사용된다.^[35] 이터븀 레이저는 효율과 수명이 높고 짧은 펄스광을 발생시킬 수 있어 레이저 재료에 많이 포함된다.^[35] 이터븀 레이저는 일반적으로 1.03~1.12 μm 대역에서 방사하며, 900 nm~1 μm 파장에서 광학적으로 펌핑된다.^[36] 양자 결함이 작아 효율적인 레이저와 출력 증강을 위한 유망한 도펀트이다.^[36]

이터븀이 도핑된 물질에서 여기의 동역학은 간단하며 유효 단면적 개념으로 설명 가능하다. 대부분의 이터븀이 도핑된 레이저 물질은 맥컴버 관계가 성립하지만,^[37][38][39] 복합 재료에 대한 적용은 논의 중이다.^[40][41]

일반적으로 이터븀 농도는 낮게 사용된다. 고농도에서는 이터븀이 도핑된 물질이 광 암화^[42](유리 섬유) 또는 효율적인 레이저 작동 대신 광대역 방출^[43](결정 및 세라믹)되는 현상을 보인다. 이는 과열뿐만 아니라 고농도 이터븀 이온에서 전하 보상 조건과도 관련이 있을 수 있다.^[44]

이터븀이 도핑된 광섬유로 생산되는 레이저와 증폭기의 출력 증강에 많은 발전이 있었다. 부품 발전과 Yb 도핑 섬유 덕분에 출력 레벨이 1 kW 영역에서 증가했다. 낮은 NA, 큰 모드 영역 섬유 제작을 통해 광대역 구성에서 1.5 kW 이상 2 kW 이상의 출력 레벨에서 거의 완벽한 빔 품질(M2<1.1)을 달성할 수 있다 (~1064 nm).^[45] 이터븀이 도핑된 LMA 섬유는 더 큰 모드 필드 직경이라는 장점이 있는데, 이는 자극 브릴루앵 산란 및 자극 라만 산란과 같은 비선형 효과의 영향을 무효화하여 더 높은 출력 레벨을 달성하는 데 제한을 두고 단일 모드 이터븀 도핑 섬유에 비해 뚜렷한 이점을 제공한다.

이터븀 기반 섬유 시스템에서 더 높은 출력 레벨을 달성하려면 섬유의 모든 요소를 고려해야 한다. 이는 공진기 내 스플라이스 손실을 줄이기 위해 코어 배경 손실부터 기하학적 특성에 이르기까지 모든 이터븀 섬유 매개변수를 최적화해야만 달성할 수 있다. 출력 증강에는 광 공진기 내 수동 섬유의 매칭 최적화도 필요하다.^[46] 다양한 도펀트의 호스트 유리 수정을 통한 이터븀 도핑 유리 자체의 최적화는 유리의 배경 손실 감소, 섬유의 기울기 효율 향상 및 광 암화 성능 개선에 큰 역할을 하며, 이는 모두 1 μm 시스템의 출력 레벨 증가에 기여한다.

9. 주의할 점

이터븀은 알칼리 금속 원소들처럼 반응성이 그렇게 높지는 않으나 공기와 수분과 접촉하지 않게 질소처럼 비활성적인 기체가 들어있는 밀봉된 용기 안에 보관한다. 몇몇 이터븀 화합물은 인간의 눈과 피부에 자극을 줄 수 있다. 분말 상태로는 자발적으로 발화할 수 있다. 대부분 금속 관련 화재처럼 이를 진화할 때 물을 사용하지 말고 금속 화재 전용 소화기를 사용해야 한다.^[53] 모든 이터븀 화합물은 고도의 독성을 지닌 것으로 취급되지만, 연구 결과 위험성은 최소한인 것으로 나타난다. 그러나 이터븀 화합물은 사람의 피부와 눈에 자극을 주며, 일부는 기형 유발성이 있을 수 있다.^[54] 금속 이터븀 분말은 자연 발화될 수 있다.^[55]

참조

_[1] 서적 The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics CRC press 2000
_[2] 웹사이트 Magnetism of Rare Earth http://www.irm.umn.e[...] 2000
_[3] 논문 New First-Order Phase Transition in High-Purity Ytterbium Metal
_[4] 논문 Combustion of Ytterbium Metal
_[5] 웹사이트 Chemical reactions of Ytterbium https://www.webeleme[...] Webelements 2009-06-06
_[6] 웹사이트 Nucleonica: Universal Nuclide Chart http://www.nucleonic[...] Nucleonica 2011-07-22
_[7] 논문 Observation of New Isotopes in the Fragmentation of ¹⁹⁸Pt at FRIB 2024
_[8] 서적 Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements https://archive.org/[...] Oxford University Press 2003
_[9] 논문 Room-Temperature Diode-Pumped Yb:YAG laser
_[10] 웹사이트 Mindat.org https://www.mindat.o[...] 2018-04-07
_[11] 논문 Optimization of Separation of Ytterbium and Lutetium by Displacement Complexing Chromatography
_[12] 논문 Anion-Exchange Method for Separation of Ytterbium from Holmium and Erbium
_[13] 서적 Handbook of Inorganic Chemical Compounds https://books.google[...] McGraw-Hill 2009-06-06
_[14] 서적 Lehrbuch der Anorganischen Chemie Walter de Gruyter 1985
_[15] 논문 Decarboxylative Aldol Reactions of Allyl β-Keto Esters via Heterobimetallic Catalysis
_[16] 논문 Ytterbium Trichloride-Catalyzed Allylation of Aldehydes with Allyltrimethylsilane https://zenodo.org/r[...]
_[17] 논문 Divalent Lanthanide Derivatives in Organic Synthesis. 1. Mild Preparation of Samarium Iodide and Ytterbium Iodide and Their Use as Reducing or Coupling Agents
_[18] 서적 Encyclopedia of the elements: technical data, history, processing, applications. https://books.google[...] John Wiley & Sons 2004
_[19] 서적 Structural Inorganic Chemistry Oxford Science Publications 1984
_[20] 논문 On the nature of the energy gap in ytterbium dodecaboride YbB_12
[21] 논문 Quantum oscillations of electrical resistivity in an insulator
_[22] 논문 Ytterbium and terbium dodecaborides https://digital.libr[...]
_[23] 서적 The discovery of the elements https://archive.org/[...] Journal of Chemical Education 1956
_[24] 논문 The discovery of the elements. XVI. The rare earth elements 1932-10
_[25] 웹사이트 Ytterbium https://www.rsc.org/[...] 2020-01-04
_[26] 웹사이트 Separaton of Rare Earth Elements by Charles James http://www.acs.org/c[...] American Chemical Society 2014-02-21
_[27] 논문 Un nouvel élément, le lutécium, résultant du dédoublement de l'ytterbium de Marignac http://gallica.bnf.f[...] 1908
_[28] 논문 Lutetium und Neoytterbium oder Cassiopeium und Aldebaranium – Erwiderung auf den Artikel des Herrn Auer v. Welsbach https://zenodo.org/r[...] 1909
_[29] 논문 Die Zerlegung des Ytterbiums in seine Elemente https://zenodo.org/r[...] 1908
_[30] 뉴스 Rare-Earth Metals http://minerals.usgs[...] USGS 2009-06-06
_[31] 서적 Industrial radiology: theory and practice https://books.google[...] Springer 1995
_[32] 뉴스 Ytterbium Atomic Clocks Set Record for Stability https://www.nist.gov[...] NIST 2013-08-22
_[33] 웹사이트 New "pendulum" for the ytterbium clock https://www.ptb.de/c[...] 2012-03-01
_[34] 뉴스 NIST ytterbium atomic clocks set record for stability http://phys.org/news[...] 2013-08-22
_[35] 논문 Photonic Whispering-Gallery Resonations in New Environments https://thesis.libra[...] California Institute of Technology 2012-12-21
_[36] 논문 Broadband Radiation Source Based on an Ytterbium-Doped Fibre With Fibre-Length-Distributed Pumping 2004
_[37] 논문 Single-mode solid-state laser with short wide unstable cavity 2005
_[38] 논문 Einstein Relations Connecting Broadband Emission and Absorption Spectra 1964
_[39] 서적 Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Fundamentals and Theory Academic press 1999
_[40] 논문 Comment on Efficient diode-pumped Yb:Gd₂SiO₅ laser 2007
_[41] 논문 Response to Comment on Efficient diode-pumped Yb:Gd₂SiO₅ laser 2007
_[42] 논문 Measuring photodarkening from single-mode ytterbium doped silica fibers 2006
_[43] 논문 Switching of Emissivity and Photoconductivity in Highly Doped Yb³⁺:Y₂O₃ and Lu₂O₃ Ceramics 2007
_[44] 논문 Effect of Yb concentration on the resistivity and lifetime of CdTe:Ge:Yb codoped crystals https://digital.csic[...] 2007
_[45] 논문 Doped fibres: Rare-earth fibres power up
_[46] 웹사이트 Fiber for Fiber Lasers: Matching Active and Passive Fibers Improves Fiber Laser Performance http://www.laserfocu[...] Laser Focus World 2012-01-01
_[47] 논문 Manipulation and detection of a trapped Yb171⁺ hyperfine qubit 2007-11
_[48] 웹사이트 Quantinuum Hardware https://www.quantinu[...] 2023-05-21
_[49] 웹사이트 IonQ Our Trapped Ion Technology https://ionq.com/tec[...] 2023-05-21
_[50] 논문 Entanglement of Atomic Qubits Using an Optical Frequency Comb 2010-04
_[51] 서적 Extractive metallurgy of rare earths https://books.google[...] CRC Press 2004
_[52] 논문 Metal-Fluorocarbon Pyrolants. XIV: High Density-High Performance Decoy Flare Compositions Based on Ytterbium/Polytetrafluoroethylene/Viton®
_[53] 논문 Effect of the Alkali-Metal Cation on the Bonding Mode of 2,5-Dimethylpyrrole in Divalent Samarium and Ytterbium Complexes https://figshare.com[...]
_[54] 논문 The Embryotoxicity of Ytterbium Chloride in Golden Hamsters 1975
_[55] 논문 High-Temperature Oxidation and Spontaneous Combustion of Rare-Earth Metal Powders
_[56] 웹아카이브 Magnetism of Rare Earth https://web.archive.[...] 2000
_[57] 서적 元素111の新知識 講談社 1998
_[58] 웹사이트 磁石を使った絶対零度近くへの冷やし方　―量子的に揺れる微小磁石が実現する極低温冷却材「イッテルビウム磁性体」―｜日本原子力研究開発機構：プレス発表 https://www.jaea.go.[...] 2024-05-03