Ytterbium

Discovery

Swiss chemist Jean Charles Galissard Marignac discovered ytterbium in 1878 from an impure erbia (de Marignac, 1878). He continued to analyze the erbium faction to obtain a new “earth” whose oxide and salts were different from those of erbium. Differing from erbium in both chemical and spectral characteristics, the ytterbium oxide was a white substance that did not absorb light, while the erbium oxide was rose colored and had discernible spectral absorption lines (Weeks and Leicester, 1968, p. 680). With limited material to continue his analysis, Marignac abandoned further study of the ytterbium and requested others to carry on the research. Starting with larger quantities of mineral concentrates, Swedish chemist Lars Fredrick Nilson, who would subsequently discover scandium, confirmed the findings by using the same methodology using thirteen series of decompositions, heating to solidification the nitrates, and precipitation of the insoluble nitrates with oxalic acid. This was followed by an additional eight steps of purification of the solutions from which the insoluble nitrates had been precipitated. By heating the nitrate in the decomposition steps just to the point where the molten nitrate was barely viscous, the erbium impurities were removed and the molecular weights of ytterbium were verified along with the lack of spectral absorption bands (Nilson, 1879). In the same year, Marignac’s ytterbium was also identified by Delafontaine in an yttrium niobate mineral named “sipylite,” now called fergusonite (Y), which was discovered two years earlier in Virginia, USA, by John William Mallet. Marignac named the new element “ytterbium” because its properties were between those of yttrium and erbium. Yttrium and erbium were both named for the small village and mine location in Sweden where the original rare-earth yttrium-bearing mineral was discovered, Ytterby. 

Definition

Ytterbium is a bright silvery metal that is relatively stable in air and reacts slowly in water. The metal is soft, quite ductile, and malleable. It is a mixture of seven stable isotopes. At ambient temperatures it has a face centered cubic structure, a density of 6.965 gm/cm3, a melting point of 819 °C, and a boiling point of 1196 °C. Above 798 °C to its melting point, ytterbium’s structure transforms to body centered cubic with a density of 6.54. Ytterbium oxide, or ytterbia, occurs as a sesquioxide with the formula Yb2O3. The oxide is a white powder with a specific gravity of 9.17 gm/cm3, a melting point of 2355 °C, a boiling point of 4070 °C, and a formula weight of 394.08. 

Preparation of Metal

Ytterbium metal is typically prepared by metallothermic reduction of the oxide, since it will not reduce from the trihalide because of its high vapor pressure. This is similar to the procedure for Sm, Eu, and Tm. The oxide is is heated in air to 625 °C for 15 hours to drive off absorbed moisture, carbon dioxide, and other compounds. Ytterbium oxide is reduced with lanthanum metal turnings (15% in excess of theoretical amount) by volatilization within a tantalum crucible with an attached tantalum condenser. The reactants are heated in a vacuum reduction furnace by slowing raising the temperature to 1400 °C and held at temperature for several hours (Beaudry and Gschneidner, Jr., 1978). Ytterbium metal is formed starting at 625 °C when the oxide preferentially separates from the ytterbium oxide and combines with the lanthanum metal forming lanthanum oxide and forms a sublimated ytterbium metal within the tantalum condenser. 

Source

Large resources of ytterbium are in xenotime, synchisite (Y), eudialyten (Y), and ion adsorption ores. They are available worldwide in ancient and recent placer deposits, igneous alkalic deposits, uranium ores, and weathered clay deposits (ion adsorption ore). It occurs in the Earth’s crust at an average concentration of 3 parts per million. Additional large subeconomic resources of yttrium occur in apatite-magnetite-bearing rocks, deposits of niobium tantalum minerals, non placer monazite bearing deposits, and sedimentary phosphate deposits. Additional resources in Canada are contained in fergusonite and xenotime at Nechalacho (Thor Lake), Northwest Territories; and eudialyte (Y), mosandrite, and britholite at Kipawa, Quebec. It occurs in various minerals in differing concentrations and occurs in a wide variety of geologic environments, including alkaline granites and intrusives, hydrothermal deposits, laterites, placers, and vein-type deposits. 

Mining

Ytterbium is mined from a variety of ore minerals and deposits using various methods. Xenotime, with Yb2O3 contents of 6.0% to 6.77% of the total REO content, is recovered from heavy mineral sands (specific gravity >2.9) deposits in various parts of the world as a byproduct of mining zircon and titanium minerals or tin minerals. Heavy mineral sands are recovered by surface placer methods from unconsolidated sands. Many of these deposits are mined using floating dredges which separate the heavy mineral sands from the lighter weight fraction with an on board wet mill through a series of wet gravity equipment that includes screens, hydrocyclones, spirals, and cone concentrators. Consolidated or partially consolidated sand deposits that are too difficult to mine by dredging are mined by dry methods. Ore is stripped by typical earth moving equipment with bulldozers, scrapers, and loaders or by water jet methods. Ore recovered by these methods is crushed and screened and then processed by the wet mill described above. Wet mill heavy mineral concentrate is sent to a dry mill for processing to separate the individual heavy minerals using a combination of scrubbing, drying, screening, electrostatic, electromagnetic, magnetic, and gravity processes (Hedrick, 1991). Vein monazite has been mined by hard rock methods in South Africa and the United States, and as a byproduct of tungsten mining in China (Hedrick, 2010). In Russia, loparite is mined by underground methods using room and pillar methods. Ore is drilled and blasted and hauled to the mill. At the mill the blasted ore is crushed, screened, and processed by flotation to produce a loparite concentrate with a 0.2% Yb2O3 REO grade. The Monazite (Nd) at Lemhi Pass, Idaho Montana, USA, has an Yb2O3 grade of 0.21%, similar to Russian loparite. In Kyrgyzstan, synchysite (Y) concentrate with a Yb2O3 content of 1.2% to 3.3% of the REO content was mined by hard rock methods from the open pit Kutessai II deposit near Aktyuz (Hedrick, Sinha, and Kosynkin, 1997). Argillaceous marine sediments enriched in fossil fish remains at the Melovie deposit in Kazakhstan were previously recovered for their uranium and rare earth content, including ytterbium. The main source of the world’s ytterbium is the ion adsorption lateritic clays with Yb2O3 contents of 0.3% to 0.6% in the Xunwu ore and 2.5% to 3.5% in the Longnan ore’s REO grade. These ores are mined in the southern provinces of China, primarily Fujian, Guangdong, and Jiangxi, with a lesser number of deposits in Guangxi and Hunan. These deposits are mined by leaching methods.