Иттрий

Иттрий — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 39. Обозначается символом Y (лат. Yttrium). Относится к группе редкоземельных металлов (РЗМ), хотя в чистом виде встречается в земной коре чаще, чем некоторые «обычные» металлы, например, свинец. Простое вещество иттрий — это серебристо-серый переходный металл, обладающий высокой химической активностью. В природе встречается исключительно в виде соединений, входя в состав многих минералов, таких как ксенотим, иттриалит и гадолинит. Широко применяется в металлургии, электронике, лазерной технике и медицине.

История открытия

История открытия иттрия тесно связана с историей открытия редкоземельных элементов. В 1787 году шведский артиллерийский офицер и химик-любитель Карл Аксель Аррениус обнаружил необычный чёрный минерал в заброшенном карьере возле города Иттербю (Швеция). Минерал был назван иттербитом (позднее — гадолинитом). В 1794 году финский химик Юхан Гадолин, проанализировав этот минерал, выделил из него оксид неизвестного ранее элемента, который назвал «иттриевой землёй» (Y₂O₃). В 1797 году шведский химик Андерс Густав Экеберг подтвердил открытие Гадолина и дал элементу название «иттрий» — по месту находки минерала.

В течение XIX века выяснилось, что «иттриевая земля» Гадолина на самом деле представляет собой смесь оксидов нескольких редкоземельных элементов. Из неё последовательно были выделены эрбий (1843, Карл Густав Мосандер), тербий (1843, Мосандер), иттербий (1878, Жан Шарль Галиссар де Мариньяк), скандий (1879, Ларс Фредерик Нильсон) и другие. Металлический иттрий в чистом виде был впервые получен только в 1828 году немецким химиком Фридрихом Вёлером путём восстановления безводного хлорида иттрия калием.

Физические свойства

Иттрий — серебристо-серый металл, по внешнему виду и физическим свойствам напоминающий алюминий, но более тяжёлый и тугоплавкий.

Температура плавления: 1526 °C (1799 K).
Температура кипения: 3336 °C (3609 K).
Плотность: 4,47 г/см³ (при 20 °C).
Твёрдость по Моосу: 4,0.
Кристаллическая решётка: гексагональная плотноупакованная (α-модификация при комнатной температуре).
Электропроводность: относительно высокая для редкоземельных металлов.
Сверхпроводимость: в чистом виде иттрий не является сверхпроводником, но его соединения (например, YBa₂Cu₃O₇) обладают высокотемпературной сверхпроводимостью.

Металл пластичен, легко поддаётся ковке, прокатке и обработке резанием. Обладает парамагнитными свойствами.

Химические свойства

Иттрий — химически активный металл. На воздухе при комнатной температуре покрывается тонкой, но плотной оксидной плёнкой Y₂O₃, которая защищает его от дальнейшего окисления. При нагревании выше 400 °C металл воспламеняется, сгорая ярким пламенем с образованием оксида.

Реакция с водой: медленно реагирует с холодной водой, активно — с горячей, выделяя водород:

\[ 2Y + 6H_2O \rightarrow 2Y(OH)_3 + 3H_2 \]

Реакция с кислотами: легко растворяется в разбавленных минеральных кислотах (соляной, серной, азотной), образуя соли иттрия(III).
Реакция со щелочами: с растворами щелочей практически не реагирует.
Реакция с галогенами: при нагревании энергично взаимодействует с хлором, бромом, йодом, образуя соответствующие галогениды.
Оксид иттрия (Y₂O₃): белый тугоплавкий порошок (температура плавления 2410 °C), обладающий основными свойствами. Используется для получения лазерных кристаллов, люминофоров и как компонент жаропрочной керамики.

Химические свойства иттрия очень близки к свойствам лантаноидов, особенно тяжёлых (гадолиния, тербия, диспрозия). По этой причине его часто относят к группе редкоземельных элементов.

Распространённость в природе

Иттрий — относительно распространённый элемент. Его содержание в земной коре составляет около 2,8·10⁻³ % по массе (28 г/т), что примерно соответствует содержанию меди или цинка. Он не встречается в самородном виде, а входит в состав многих минералов. Основными минералами иттрия являются:

Ксенотим (YPO₄): фосфат иттрия, часто содержит примеси других редкоземельных элементов (эрбия, иттербия, диспрозия). Является одним из главных источников иттрия.
Гадолинит (Y,Fe)₂Be₂Si₂O₁₀: сложный силикат иттрия, железа и бериллия. Первый минерал, из которого был выделен иттрий.
Иттриалит (Y₂Si₂O₇): силикат иттрия.
Фергюсонит (YNbO₄): ниобат иттрия.
Самарскит, эвксенит, бастнезит: в этих минералах иттрий присутствует в виде изоморфной примеси, замещая кальций, церий или уран.

Основные месторождения иттрийсодержащих руд находятся в Китае (провинция Цзянси), России (Кольский полуостров, Якутия), Австралии, США (Калифорния, Колорадо), Бразилии и Индии.

Получение

Получение металлического иттрия — многостадийный и энергоёмкий процесс. Основные этапы включают:

Обогащение руды: из руды методами флотации, гравитации или магнитной сепарации выделяют концентрат, содержащий минералы иттрия.
Вскрытие концентрата: концентрат обрабатывают кислотами (серной или соляной) или щелочами для перевода иттрия в раствор.
Разделение и очистка: из полученного раствора методами ионного обмена, экстракции или дробной кристаллизации последовательно выделяют индивидуальные редкоземельные элементы. Иттрий отделяют от лантаноидов, с которыми он находится в смеси.
Получение оксида: очищенный раствор иттрия осаждают в виде оксалата или гидроксида, которые затем прокаливают до оксида иттрия (Y₂O₃).
Восстановление металла: оксид иттрия восстанавливают до металла кальцием или литием в вакууме при высоких температурах (металлотермия). Реакция проводится в герметичных стальных ретортах.
Рафинирование: полученный губчатый иттрий переплавляют в вакуумной дуговой или электронно-лучевой печи для удаления примесей и получения компактного металла.

Мировое производство оксида иттрия составляет около 10 000 тонн в год (данные на начало 2020-х годов). Основным производителем является Китай.

Применение

Иттрий и его соединения находят широкое применение в различных областях науки и техники.

Металлургия

Легирование алюминия и магния: добавка иттрия (0,1–0,5%) значительно повышает прочность, жаропрочность и коррозионную стойкость алюминиевых и магниевых сплавов. Сплав Al-Y (например, АМг5И) используется в авиа- и ракетостроении.
Легирование стали: иттрий улучшает обрабатываемость нержавеющих сталей, повышает их стойкость к окислению при высоких температурах.
Создание жаропрочных сплавов: иттрий входит в состав суперсплавов на основе никеля и кобальта, используемых для изготовления лопаток газовых турбин.

Электроника и лазерная техника

Лазерные кристаллы: иттрий-алюминиевый гранат (YAG, Y₃Al₅O₁₂), легированный ионами неодима (Nd:YAG), является одним из самых распространённых твердотельных лазерных материалов. Такие лазеры применяются в промышленности (резка, сварка), медицине (хирургия, косметология) и военной технике.
Люминофоры: оксид иттрия, активированный европием (Y₂O₃:Eu³⁺), используется в производстве красных люминофоров для цветных кинескопов и светодиодов (LED). Иттрий-алюминиевый гранат, легированный церием (YAG:Ce), применяется в белых светодиодах.
Высокотемпературные сверхпроводники: соединение YBa₂Cu₃O₇ (иттрий-бариевый купрат) является первым керамическим сверхпроводником, обнаруженным при температуре выше точки кипения жидкого азота (93 K). Это открытие (1987, Чу Пол и др.) вызвало бум исследований в области высокотемпературной сверхпроводимости.
Пьезоэлектрики: иттрий используется в составе пьезокерамики (например, YMnO₃).

Медицина

Радиоизотопная терапия: радиоактивный изотоп иттрий-90 (⁹⁰Y) с периодом полураспада 64 часа является чистым β-излучателем. Он используется для лечения некоторых видов рака, в частности, гепатоцеллюлярной карциномы (рака печени) и неходжкинских лимфом. Микросферы с ⁹⁰Y вводятся в кровеносные сосуды, питающие опухоль, вызывая её локальное облучение и разрушение.
Диагностика: изотоп иттрий-86 (⁸⁶Y) используется в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) для визуализации распределения лекарственных препаратов.
Стоматология: оксид иттрия добавляется в циркониевую керамику для стабилизации её кристаллической структуры и повышения прочности. Такая керамика используется для изготовления зубных коронок и имплантатов.

Керамика и стекло

Стабилизированный диоксид циркония: добавка оксида иттрия (3–8 мол. %) к диоксиду циркония (ZrO₂) стабилизирует его кубическую кристаллическую решётку. Полученный материал (YSZ) обладает высокой ионной проводимостью, прочностью и трещиностойкостью. Применяется в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ), кислородных датчиках, режущем инструменте и ювелирных изделиях (фианиты).
Оптическое стекло: иттрий входит в состав специальных оптических стёкол, устойчивых к радиации и обладающих высоким показателем преломления.

Биологическая роль и токсичность

Иттрий не является биогенным элементом и не выполняет известных физиологических функций в организме человека. Соединения иттрия обладают низкой токсичностью. Металлическая пыль и пыль оксида иттрия могут вызывать раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей. При вдыхании в больших количествах возможны лёгочные заболевания (иттриоз). В целом, иттрий считается одним из наименее токсичных среди редкоземельных элементов. Предельно допустимая концентрация (ПДК) оксида иттрия в воздухе рабочей зоны составляет 6 мг/м³.

Интересные факты

Иттрий — один из четырёх химических элементов, названных в честь деревни Иттербю (Швеция). Другие три — иттербий, тербий и эрбий.
Оксид иттрия (Y₂O₃) обладает самой высокой температурой плавления среди всех оксидов редкоземельных элементов (2410 °C).
Иттрий-алюминиевый гранат (YAG) — один из немногих кристаллов, который может быть выращен искусственно до размеров, достаточных для изготовления лазерных стержней длиной до 30 см.
Иттрий-бариевый купрат (YBa₂Cu₃O₇) был открыт в 1987 году и сразу же стал рекордсменом по температуре сверхпроводящего перехода (93 K), что позволило использовать для его охлаждения не дорогой жидкий гелий, а дешёвый жидкий азот.

Источники

Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition. — CRC Press, 2016.
Минералы: справочник / Под ред. Ф. В. Чухрова. — М.: Наука, 1965. — Т. 2.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →