Yttrium

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Yttrium, Y, 39
Elementkategorie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 3, 5, d
Aussehen silbrig weiß
CAS-Nummer

7440-65-5

EG-Nummer 231-174-8
ECHA-InfoCard 100.028.340
Massenanteil an der Erdhülle 26 ppm (32. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse 88,90584(1)[3] u
Atomradius (berechnet) 180 (212) pm
Kovalenter Radius 190 pm
Elektronenkonfiguration [Kr] 4d1 5s2
1. Ionisierungsenergie 6.21726(10) eV[4] ≈ 599.87 kJ/mol[5]
2. Ionisierungsenergie 12.2236(6) eV[4] ≈ 1179.4 kJ/mol[5]
3. Ionisierungsenergie 20.52441(12) eV[4] ≈ 1980.3 kJ/mol[5]
4. Ionisierungsenergie 60.6072(25) eV[4] ≈ 5847.7 kJ/mol[5]
5. Ionisierungsenergie 75.35(4) eV[4] ≈ 7270 kJ/mol[5]
Physikalisch[2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur hexagonal
Dichte 4,472 g/cm3
Magnetismus paramagnetisch (χm = 1,2 · 10−4)[6]
Schmelzpunkt 1799 K (1526 °C)
Siedepunkt 3203 K[7] (2930 °C)
Molares Volumen 19,88 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 390 kJ·mol−1[7]
Schmelzenthalpie 11,4 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 3300 m·s−1 bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit 1,66 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 17 W·m−1·K−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände +3
Normalpotential −2,37 V (Y3+ + 3 e− → Y)
Elektronegativität 1,22 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
86Y {syn.} 14,7 h β+ 534 86Sr
87Y {syn.} 79,8 h ε 1,862 87Sr
88Y {syn.} 106,65 d ε 3,623 88Sr
89Y 100 % Stabil
90Y {syn.} 64,10 h β− 2,282 90Zr
91Y {syn.} 58,51 d β− 1,544 91Zr
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
  Spin-
Quanten-
zahl I 		γ in
rad·T−1·s−1 		Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
89Y 1/2 −1,316 · 107 0,000119 4,9
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[8]

Pulver

Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 228
P: 210​‐​241​‐​280​‐​241​‐​370+378[8]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Yttrium [ˈʏtri̯ʊm] ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Y und der Ordnungszahl 39. Es zählt zu den Übergangsmetallen sowie den Seltenerdmetallen, im Periodensystem steht es in der 5. Periode sowie der 3. Nebengruppe, bzw. der 3. IUPAC-Gruppe oder Scandiumgruppe. Yttrium ist nach dem ersten Fundort, der Grube Ytterby bei Stockholm, benannt, wie auch Ytterbium, Terbium und Erbium.

Geschichte

Yttrium wurde 1794 von Johan Gadolin im Mineral Ytterbit entdeckt. 1824 stellte Friedrich Wöhler verunreinigtes Yttrium durch Reduktion von Yttriumchlorid mit Kalium her. Erst 1842 gelang Carl Gustav Mosander die Trennung des Yttriums von den Begleitelementen Erbium und Terbium.

Vorkommen

Yttrium kommt in der Natur nicht im elementaren Zustand vor. Yttriumhaltige Minerale (Yttererden) sind immer verschwistert mit anderen Seltenerdmetallen. Auch in Uranerzen kann es enthalten sein. Kommerziell abbauwürdig sind Monazitsande, die bis zu 3 % Yttrium enthalten, sowie Bastnäsit, der 0,2 % Yttrium enthält. Weiterhin ist es der Hauptbestandteil des Xenotim (Y[PO4]).

Große Monazitvorkommen, die Anfang des 19. Jahrhunderts in Brasilien und Indien entdeckt und ausgebeutet wurden, machten diese beiden Länder zu den Hauptproduzenten von Yttriumerzen. Erst die Eröffnung der Mountain Pass Mine in Kalifornien, die bis in die 1990er Jahre große Mengen an Bastnäsit förderte, machte die USA zum Hauptproduzenten von Yttrium, obwohl der dort abgebaute Bastnäsit nur wenig Yttrium enthält. Seit der Schließung dieser Mine ist China mit 60 % der größte Produzent für Seltene Erden. Diese werden in einer Mine nahe Bayan Kuang gewonnen, deren Erz Xenotim enthält, und aus ionenabsorbierenden Tonmineralen, die vor allem im Süden Chinas abgebaut werden.

Gewinnung und Darstellung

Die Trennung der Seltenen Erden voneinander ist ein aufwändiger Schritt in der Produktion von Yttrium. Fraktionierte Kristallisation von Salzlösungen war zu Anfang die bevorzugte Methode, diese wurde schon früh für die Trennung der seltenen Erden im Labormaßstab verwendet. Erst die Einführung der Ionenchromatographie machte es möglich, die seltenen Erden im industriellen Maßstab zu trennen.

Das aufkonzentrierte Yttriumoxid wird umgesetzt zum Fluorid. Die anschließende Reduktion zum Metall erfolgt mit Calcium im Vakuuminduktionsofen.

Der USGS schätzte die Jahresproduktion für 2020 auf 8.000 bis 12.000 t Yttriumgehalt. Der Abbau erfolgte großteils in China und Myanmar. In der Mountain Pass Mine in Kalifornien wird seit 1. Quartal 2018 wieder Yttriumerz abgebaut, nachdem die Mine im 4. Quartal 2015 stillgelegt worden war. Die globalen Reserven von Yttriumoxid werden auf mehr als 500.000 Tonnen geschätzt.[9] Der Preis für Yttriumoxid mit einer Reinheit von 99,999 % stieg von 25–27 USD je kg im Jahre 2010 auf 136–141 USD im Jahr 2011 und fiel bis 2013 wieder auf 23–27 USD.[10] Im August 2015 lag der Preis bei ca. 5,5 USD je kg.[11]

Eigenschaften

Yttrium, im Hochvakuum sublimiert, hochrein

Yttrium ist an der Luft relativ beständig, dunkelt aber unter Licht. Bei Temperaturen oberhalb von 400 °C können sich frische Schnittstellen entzünden. Fein verteiltes Yttrium ist relativ unbeständig. Yttrium hat einen niedrigen Einfangquerschnitt für Neutronen.

In seinen Verbindungen ist es meist dreiwertig. Es gibt jedoch auch Clusterverbindungen, in denen Yttrium Oxidationsstufen unter 3 annehmen kann. Yttrium zählt zu den Leichtmetallen.

Isotope

Es sind insgesamt 32 Isotope zwischen 76Y und 108Y sowie weitere 24 Kernisomere bekannt. Von diesen ist nur 89Y, aus dem auch natürliches Yttrium ausschließlich besteht, stabil. Es handelt sich damit bei Yttrium um eines von 22 Reinelementen. Die stabilsten Radioisotope sind 88Y mit einer Halbwertszeit von 106,65 Tagen und 91Y mit einer Halbwertszeit von 58,51 Tagen. Alle anderen Isotope haben eine Halbwertszeit unter einem Tag, mit Ausnahme von 87Y, welches eine Halbwertszeit von 79,8 Stunden hat, und 90Y mit 64 Stunden.[12] Yttrium-Isotope gehören zu den häufigsten Produkten der Spaltung des Urans in Kernreaktoren und bei nuklearen Explosionen.

→ Liste der Yttrium-Isotope

Verwendung

Metallisches Yttrium wird in der Reaktortechnik für Rohre verwendet. Die Legierung mit Cobalt YCo5 kann als Seltenerdmagnet genutzt werden. Yttrium findet als Material für Heizdrähte in Ionenquellen von Massenspektrometern Verwendung. In der Metallurgie werden geringe Yttriumzusätze zur Kornfeinung eingesetzt, zum Beispiel in Eisen-Chrom-Aluminium-Heizleiterlegierungen, Chrom-, Molybdän-, Titan- und Zirconiumlegierungen. In Aluminium- und Magnesiumlegierungen wirkt es festigkeitssteigernd. Die Dotierung von Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren mit Yttrium steigert deren Leistung und Haltbarkeit.

Technisch wichtiger sind die oxidischen Yttriumverbindungen:

Die wichtigste Verwendung der Yttriumoxide und Yttriumoxidsulfide sind jedoch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in mit dreiwertigem Europium (rot) und Thulium (blau) dotierten Luminophoren (Leuchtstoffen) in Fernsehbildröhren und Leuchtstofflampen.

Des Weiteren werden Yttrium-Keramiken und -Legierungen eingesetzt in:

Als reiner Betastrahler wird 90Y in der Nuklearmedizin zur Therapie eingesetzt, zum Beispiel zur Radiosynoviorthese, der Radionuklidtherapie von Knochenmetastasen, der Radioimmuntherapie und beim Kolorektalen Karzinom.[13]

Biologie und Toxizität

Yttrium gilt nicht als essentielles Spurenelement. Die toxischen Eigenschaften des metallischen Yttriums führen nicht zu einer Einstufung als gefährlicher Stoff. Ein Arbeitsplatzgrenzwert für Yttrium ist nicht festgelegt.[8] Die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) empfiehlt einen MAK-Wert von 1 mg/m3 bei einer Expositionsdauer von 8 Stunden.[14]

Verbindungen

Commons: Yttrium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Yttrium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Yttrium) entnommen.
  3. ↑ IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights: Standard Atomic Weights of 14 Chemical Elements Revised. In: Chemistry International. 40, 2018, S. 23, doi:10.1515/ci-2018-0409.
  4. ↑ a b c d e Eintrag zu yttrium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd). Abgerufen am 11. Juni 2020.
  5. ↑ a b c d e Eintrag zu yttrium bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
  6. ↑ Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  7. ↑ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. Band 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  8. ↑ a b c Eintrag zu Yttrium in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. April 2017. (JavaScript erforderlich)
  9. ↑ U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2022: YTTRIUM.
  10. ↑ MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2015. (PDF 2,3 MB, S. 185–186 (182–183)) USGS, abgerufen am 6. September 2015 (englisch).
  11. ↑ Japanese yttrium oxide price keeps steady. www.asianmetal.com, 6. September 2015, abgerufen am 6. September 2015 (englisch).
  12. ↑ G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (Memento vom 24. Februar 2014 im Internet Archive). (PDF; 1,0 MB). In: Nuclear Physics. Bd. A 729, 2003, S. 3–128.
  13. ↑ E. Janowski, O. Timofeeva, S. Chasovskikh, M. Goldberg, A. Kim, F. Banovac, D. Pang, A. Dritschilo, K. Unger: Yttrium-90 radioembolization for colorectal cancer liver metastases in KRAS wild-type and mutant patients: Clinical and ccfDNA studies. In: Oncol Rep. Band 37, Nr. 1, Jan 2017, S. 57–65. PMID 28004119
  14. ↑ Yttrium. In: Occupational Safety and Health Administration (Hrsg.): Permissible Exposure Limits. Annotated Table Z-1. (osha.gov [abgerufen am 11. März 2019]).
  15. ↑ Constantin Buyer, David Enseling, Thomas Jüstel, Thomas Schleid: Hydrothermal Synthesis, Crystal Structure, and Spectroscopic Properties of Pure and Eu3+-Doped NaY[SO4]2 ∙ H2O and Its Anhydrate NaY[SO4]2. In: Crystals. Band 11, Nr. 6, 2021, S. 575, doi:10.3390/cryst11060575 (englisch).