Иттрий

Иттрий
← Стронций | Цирконий →
39 Sc ↑ Y[1] ↓ Lu Периодическая система элементов 39Y[1]
Внешний вид простого вещества
Очищенные образцы иттрия
Свойства атома
Название, символ, номер	И́ттрий / Yttrium (Y), 39
Группа, период, блок	3 (устар. 3), 5, d-элемент
Атомная масса (молярная масса)	88,90585(2)[2] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Kr] 4d^15s^2 1s^22s^22p^63s^23p^63d^104s^24p^64d^15s^2
Радиус атома	178 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	162 пм
Радиус иона	(+3e) 89,3 пм
Электроотрицательность	1,22 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	+3
Энергия ионизации (первый электрон)	615,4 (6,38) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	4,47 г/см³
Температура плавления	1795 К (1521,85 °С)
Температура кипения	3611 К (3337,85 °С)
Мол. теплота плавления	11,5 кДж/моль
Мол. теплота испарения	367 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	26,52[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём	19,8 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная
Параметры решётки	a=3,647 c=5,731 Å
Отношение c/a	1,571
Температура Дебая	[4] 280 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (17,2) Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-65-5

39	Иттрий
Y 88,9058
4d^15s^2

И́ттрий (химический символ — Y, от лат. Yttrium) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 39.

Простое вещество иттрий — это светло-серебристый редкоземельный переходный металл. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Y с гексагональной решёткой типа магния, β-Y с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe, температура перехода α↔β 1482 °C^[3].

История

В 1794 году финский химик Юхан (Иоганн) Гадолин (1760—1852) выделил из минерала иттербита оксид элемента, который он назвал иттрием — по названию шведского населённого пункта Иттербю, находящегося на острове Ресарё, входящем в Стокгольмский архипелаг (иттербит был найден здесь в заброшенном карьере). В 1843 году Карл Мосандер доказал, что этот оксид на самом деле является смесью оксидов иттрия, эрбия и тербия и выделил из этой смеси Y₂O₃. Металлический иттрий, содержащий примеси эрбия, тербия и других лантаноидов, был получен впервые в 1828 году Фридрихом Велером.

Нахождение в природе

Иттрий — химический аналог лантана. Кларк 26 г/т, содержание в морской воде 0,0003 мг/л^[5]. Иттрий почти всегда содержится вместе с лантаноидами в минеральном сырье. Несмотря на неограниченный изоморфизм, в группе редких земель в определённых геологических условиях возможна раздельная концентрация редких земель иттриевой и цериевой подгрупп. Например, с щелочными породами и связанными с ними постмагматическими продуктами преимущественное развитие получает цериевая подгруппа, а с постмагматическими продуктами гранитоидов с повышенной щёлочностью — иттриевая. Большинство фторкарбонатов обогащено элементами цериевой подгруппы. Многие тантало-ниобаты содержат иттриевую подгруппу, а титанаты и титано-тантало-ниобаты — цериевую. Главнейшие минералы иттрия — ксенотим YPO₄, гадолинит Y₂FeBe₂Si₂O₁₀.

Месторождения

Главные месторождения иттрия расположены в Китае, Австралии, Канаде, США, Индии, Бразилии, Малайзии^[6]. Значительны запасы в глубоководном месторождении редкоземельных минералов у тихоокеанского острова Минамитори в исключительной экономической зоне Японии^[7].

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома иттрия: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹5s²

Иттрий — это редкоземельный металл светло-серебристого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Y с гексагональной решёткой типа магния (a=3,6474 Å; с=5,7306 Å; z=2; пространственная группа P6₃/mmc), β-Y с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe (a=4,08 Å; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода α↔β 1482 °C, ΔH перехода — 4,98 кДж/моль. Температура плавления — 1528 °C, температура кипения — около 3320 °C. Иттрий легко поддается механической обработке^[3].

Изотопы

Основная статья: Изотопы иттрия

Иттрий — моноизотопный элемент, в природе представлен одним стабильным нуклидом ⁸⁹Y^[3].

Иттрий-90 нашел применение в радионуклидной терапии онкологических заболеваний.

Химические свойства

На воздухе иттрий покрывается плотной защитной оксидной плёнкой. При 370—425 °C образуется плотная чёрная плёнка оксида. Интенсивное окисление начинается при 750 °C. Компактный металл окисляется кислородом воздуха в кипящей воде, реагирует с минеральными кислотами, уксусной кислотой, не реагирует с фтороводородом. Иттрий при нагревании взаимодействует с галогенами, водородом, азотом, серой и фосфором. Оксид Y₂О₃ обладает основными свойствами, ему отвечает основание Y(ОН)₃.

Получение

Соединения иттрия получают из смесей с другими редкоземельными металлами экстракцией и ионным обменом. Металлический иттрий получают восстановлением безводных галогенидов иттрия литием или кальцием c последующей отгонкой примесей.

Применение

Иттрий является металлом, обладающим рядом уникальных свойств, и эти свойства в значительной степени определяют очень широкое применение его в промышленности сегодня и, вероятно, ещё более широкое применение в будущем. Предел прочности на разрыв для нелегированного чистого иттрия — около 300 МПа (30 кг/мм²), что сравнимо со сталью, при вдвое меньшей плотности. Очень важным качеством как металлического иттрия, так и ряда его сплавов является то обстоятельство, что, будучи активным химически, иттрий при нагревании на воздухе покрывается плёнкой оксида и нитрида, предохраняющих его от дальнейшего окисления до 1000 °C.

Иттриевая керамика

Керамика для нагревательных элементов

Хромит иттрия — материал для лучших высокотемпературных нагревателей сопротивления, способных эксплуатироваться в окислительной среде (воздух, кислород).

ИК — керамика

«Иттралокс» (Yttralox) — твёрдый раствор диоксида тория в окиси иттрия. Для видимого света этот материал прозрачен, как стекло, но также он очень хорошо пропускает инфракрасное излучение, поэтому его используют для изготовления инфракрасных «окон» специальной аппаратуры и ракет, а также используют в качестве смотровых «глазков» высокотемпературных печей. Плавится «Иттралокс» лишь при температуре около 2207 °C.

Огнеупорные материалы

Оксид иттрия — чрезвычайно устойчивый к нагреву на воздухе огнеупор, упрочняется с ростом температуры (максимум при 900—1000 °C), пригоден для плавки ряда высокоактивных металлов (в том числе и самого иттрия). Особую роль оксид иттрия играет при литье урана. Одной из наиболее важных и ответственных областей применения оксида иттрия в качестве жаропрочного огнеупорного материала является производство наиболее долговечных и качественных сталеразливочных стаканов (устройство для дозированного выпуска жидкой стали), в условиях контакта с движущимся потоком жидкой стали оксид иттрия наименее размываем. Единственным известным и превосходящим по стойкости оксид иттрия в контакте с жидкой сталью является оксид скандия, но он чрезвычайно дорог.

Термоэлектрические материалы

Важным соединением иттрия является его теллурид. Имея малую плотность, высокую температуру плавления и прочность, теллурид иттрия имеет одну из самых больших термо-э.д.с среди всех теллуридов, а именно 921 мкВ/К (у теллурида висмута, например, 280 мкВ/К) и представляет интерес для производства термоэлектрогенераторов с повышенным КПД.

Сверхпроводники

Один из компонентов иттрий-медь-бариевой керамики с общей формулой YBa₂Cu₃O_7-δ — высокотемпературный сверхпроводник с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около −183°С.

Сплавы иттрия

Перспективными областями применения сплавов иттрия являются авиакосмическая промышленность, атомная техника, автомобилестроение. Очень важно то обстоятельство, что иттрий и его некоторые сплавы не взаимодействуют с расплавленным ураном и плутонием, что позволяет применить их в ядерном газофазном ракетном двигателе.

Легирование

Легирование алюминия иттрием повышает на 7,5 % электропроводность изготовленных из него проводов.

Иттрий имеет высокие предел прочности и температуру плавления, поэтому способен создать значительную конкуренцию титану в любых областях применения последнего (ввиду того, что большинство сплавов иттрия обладает большей прочностью, чем сплавы титана, а кроме того, у сплавов иттрия отсутствует «ползучесть» под нагрузкой, которая ограничивает области применения титановых сплавов).

Иттрий вводят в жаростойкие сплавы никеля с хромом (нихромы) с целью повысить температуру эксплуатации нагревательной проволоки или ленты и с целью в 2—3 раза увеличить срок службы нагревательных обмоток (спиралей), что имеет большое экономическое значение (использование вместо иттрия скандия ещё в несколько раз увеличивает срок службы сплавов).

Магнитные материалы

Изучается перспективный магнитный сплав — неодим-иттрий-кобальт.

Покрытия иттрием и его соединениями

Напыление (детонационное и плазменное) иттрия на детали двигателей внутреннего сгорания позволяет увеличить износостойкость деталей в 400—500^{[источник не указан 4965 дней]} раз по сравнению с хромированием.

Люминофоры

Ванадат иттрия, легированный европием, используются в производстве кинескопов цветных телевизоров.

Оксосульфид иттрия, активированный европием, применяется для производства люминофоров в цветном телевидении (красная компонента), а активированный тербием — для чёрно-белого телевидения.

Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), легированный трёхвалентным церием с максимумом излучения в области жёлтого цвета используется в конструкции люминофорных белых светодиодов.

Дуговая сварка

Добавлением иттрия в вольфрам резко снижают работу выхода электрона (у чистого иттрия 3,3 эВ), что используется для производства иттрированных вольфрамовых электродов для аргонодуговой сварки и составляет значительную статью расхода металлического иттрия.

Гексаборид иттрия имеет так же малую работу выхода электронов (2,22 эВ) и применяется для производства катодов мощных электронных пушек (электронно-лучевая сварка и резка в вакууме).

Медицина — лучевая терапия

Изотоп Иттрий-90 (⁹⁰Y) играет важную роль в лечении гепатоцеллюлярного и некоторых других видов рака. При этом производится трансартериальная радиоэмболизация опухоли микросферами, содержащими ⁹⁰Y^[8].

Другие сферы применения

Бериллид иттрия (равно как и бериллид скандия) является одним из лучших конструкционных материалов аэрокосмической техники и, плавясь при температуре около 1920 °C, начинает окисляться на воздухе при 1670 °C. Удельная прочность такого материала весьма высока, и при использовании его в качестве матрицы для наполнения нитевидными кристаллами (усами) можно создать материалы, имеющие фантастические прочностные и упругие характеристики.

Тетраборид иттрия находит применение в качестве материала для управляющих стержней атомных реакторов (имеет малое газовыделение по гелию и водороду).

Ортотанталат иттрия синтезируется и используется для производства рентгеноконтрастных покрытий.

Синтезированы иттрий-алюминиевые гранаты (ИАГ), имеющие ценные физико-химические свойства, которые могут применяться и в ювелирном деле, и уже довольно давно применяемые в качестве технологичных и относительно дешёвых материалов для твердотельных лазеров. Важным лазерным материалом является ИСГГ — иттрий-скандий-галлиевый гранат.

Гидрид иттрия-железа применяют как аккумулятор водорода с высокой ёмкостью и достаточно дешёвый.

Цены на иттрий

• Иттрий чистотой 99—99,9 % стоит в среднем 115—185 долларов США за 1 кг.

Примечания

1. Wieser M. E., Coplen T. B., Wieser M. Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry — IUPAC, 2010. — Vol. 83, Iss. 2. — P. 359–396. — ISSN 0033-4545; 1365-3075; 0074-3925 — doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14
2. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02. Архивировано 5 февраля 2014 года.
3. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 277. — 671 с. — 100 000 экз.
4. Иттрий на Integral Scientist Modern Standard Periodic Table  (неопр.). Дата обращения: 5 августа 2009. Архивировано 2 мая 2009 года.
5. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
6. Иттрий :: Группа AMT&C  (неопр.). Дата обращения: 20 сентября 2010. Архивировано 19 января 2012 года.
7. The tremendous potential of deepsea mud as a source of rare-earth elements  (неопр.). Дата обращения: 1 января 2019. Архивировано 23 января 2019 года.
8. Kallini J.R., Gabr A., Salem R., Lewandowski RJ. Trans-arterial Radioembolization with Yttrium-90 for the Treatment of Hepatocellular Carcinoma (англ.) // Adv Ther. : journal. — 2016. — 2 April.

Литература

• Венецкий С.И. Находка в заброшенном карьере (Иттрий) // О редких и рассеянных (Рассказы о металлах) (рус.). — Москва: Металлургия, 1980. — 184 с. — 200 000 экз.
• И́ттрий // Италия — Кваркуш. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — С. 53—54. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 11).
• Семёнов Е. И. И́ттрий // Горная энциклопедия : в 5 т. / гл. ред. Е. А. Козловский. — М. : «Советская энциклопедия», 1985. — Т. 2. Геосферы — Кенай. — С. 476—477. — 575 с. — 56 540 экз. — ISBN 5-85270-007-X.
• І́трый // Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 7: Застаўка — Кантата (бел.) / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн.: БелЭн, 1998. — С. 365. — 10 000 экз. — ISBN 985-11-0130-3.

Ссылки

• Иттрий на Webelements
• Иттрий в Популярной библиотеке химических элементов.
• Иттрий // Казахстан. Национальная энциклопедия (рус.). — Алматы: Қазақ энциклопедиясы, 2005. — Т. II. — ISBN 9965-9746-3-2. (CC BY-SA 3.0)