Электронная конфигурация иттрия. Иттрий — описание металла и его свойства, цена за кг иттрия
Иттрий
И́ТТРИЙ -я; м. Химический элемент (Y), редкоземельный металл (применяется как легирующая добавка ко многим сплавам).
◁ И́ттриевый, -ая, -ое.
и́ттрий(лат. Yttrium), химический элемент III группы периодической системы, относится к редкоземельным элементам. Назван по минералу иттербиту (гадолиниту), найденному около селения Иттербю в Швеции (как и тербий, эрбий, иттербий). Металл; плотность 4,45 г/см 3 , t пл 1528°C. Легирующая добавка ко многим сплавам, конструкционный материал для ядерных реакторов. Иттриевые гранаты применяют в радиоэлектронике, как лазерные материалы.
ИТТРИЙЭнциклопедический словарь . 2009 .
Синонимы :Смотреть что такое "иттрий" в других словарях:
иттрий - иттрий, я … Русский орфографический словарь
- (греч.). Металл группы алюминия в виде мелких, темно серых, блестящих чешуек. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ИТТРИЙ греч. Металл в виде мелких, темносерых, блестящих пластинок. Объяснение 25000… … Словарь иностранных слов русского языка
Y (от назв. селения Иттербю, Ytterby, в Швеции * a. yttrium; н. Ittrium; ф. yttrium; и. itrio), хим. элемент III группы периодич. системы Mенделеева, ат.н. 39, ат. м. 88,9059; относится к редкоземельным элементам. B природе один… … Геологическая энциклопедия
Современная энциклопедия
- (символ Y), серебристо серый металлический элемент III группы периодической таблицы. Впервые выделен в 1828 г. Встречается наряду с элементами группы ЛАНТАНОИДОВ в монацитовых песках, в минералах бастнезите и гадолините; сходен с лантаноидами по… … Научно-технический энциклопедический словарь
Иттрий - (Yttrium), Y, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 39, атомная масса 88,9059; относится к редкоземельным элементам; металл. Иттрий открыт финским химиком Ю. Гадолином в 1794, впервые получен немецким химиком Ф.… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (лат. Yttrium) Y, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 39, атомная масса 88,9059, относится к редкоземельным элементам. Назван по минералу иттербиту (гадолиниту), найденному около селения Иттербю в Швеции (как и… … Большой Энциклопедический словарь
- (Yttrium), Y, редкоземельный хим. элемент III группы периодич. системы элементов, ат. номер39, ат. масса 88,9059. В природе представлен стабильным 89Y. Электронная конфигурация двух внеш. оболочек 4s2p6d15s2. Энергии последоват. ионизации… … Физическая энциклопедия
Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: Y
Молекулярная масса: 88,906
Иттрий - элемент побочной подгруппы третьей группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 39. Обозначается символом Y (лат. Yttrium). Простое вещество иттрий - металл светло-серого цвета. 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.
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 Y 2 O 3 . 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. 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 породами и связанными с ними постмагматическими продуктами преимущественное развитие получает цериевая подгруппа, а с постмагматическими продуктами гранитоидов с повышенной - иттриевая. Большинство фторкарбонатов обогащено элементами цериевой подгруппы. Многие тантало-ниобаты содержат иттриевую подгруппу, а титанаты и титано-тантало-ниобаты - цериевую. Главнейшие минералы иттрия - ксенотим YPO 4 , гадолинит Y 2 FeBe 2 Si 2 O 10 .
Месторождения
Главные месторождения иттрия расположены в Китае, Австралии, Канаде, США, Индии, Бразилии, Малайзии.
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.
Физические свойства
Иттрий - металл светло-серого 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.
Изотопы
Иттрий - моноизотопный элемент, в природе представлен одним стабильным нуклидом 89Y.
Химические свойства
На воздухе иттрий покрывается плотной защитной оксидной плёнкой. При 370-425 °C образуется плотная чёрная пленка 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 Y 2 О 3 обладает основными свойствами, ему отвечает основание Y(ОН) 3 .
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). 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.
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 YBa 2 Cu 3 O 7 -δ - высокотемпературный сверхпроводник с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 90 К.
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.
Люминофоры
Оксид и ванадат иттрия, легированные 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).
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.
В 1787 г. лейтенант шведской армии минералог-любитель Карл Аррениус нашел здесь, в заброшенном карьере, неизвестный прежде черный блестящий минерал. Этот минерал назвали иттербитом. Спустя 130 лет финский минералог Флинт скажет, что он «сыграл в истории неорганической химии, быть может, большую роль, чем какой-либо другой минерал». В этом утверждении безусловно есть преувеличение. Но так же безусловно, что минерал, в котором нашли семь новых химических элементов, - вещь незаурядная. Тем не менее ни в одном минералогическом справочнике названия «иттербит» сейчас не найти.
Первым серьезным исследователем этого минерала и первооткрывателем окиси иттрия был финский химик Юхан Гадолин (1760-1852). Это он, проанализировав иттербит, обнаружил в нем окислы железа , кальция , магния и кремния , а также 38% окиси неизвестного еще элемента. Через три года шведский ученый Экеберг подтвердил результат финского коллеги и ввел в химический обиход название «иттриевая земля». Позже, еще при жизни Гадолина, было решено называть открытый им элемент иттрием, а минерал из Иттербю переименовали в гадолинит .
Впрочем, впоследствии оказалось, что упоминавшиеся 38% приходятся на долю не одного, а нескольких новых элементов. «Расщепление» окиси иттрия заняло больше 100 лет. В 1843 г. Карл Мозандер поделил ее на три компонента, три окисла: бесцветный, коричневый и розовый. Три окисла - три элемента, название каждого происходит от фрагментов также «расщепленного» слова Иттербю. От «итт» - иттрий (бесцветная окись), от «тер» - тербий (коричневая) и от «эрб» - эрбий (розовая окись). В 1879 г. из окиси иттрия были выделены окислы еще трех элементов - иттербия, тулия и предсказанного Менделеевым скандия . А в 1907 г. к ним прибавился еще один элемент - лютеций .
Это единственный случай в истории науки: один минерал, причем редкий минерал, оказался «хранителем» семи новых элементов.
С позиций современной химии этот факт легко объясним: электронное строение атомов редкоземельных элементов - а к ним относится скандий, иттрий , лантан и 14 лантаноидов - очень сходно. Химические свойства их, в том числе свойства, определяющие поведение элемента в земной коре, трудноразличимы. Очень близки размеры их ионов. В частности, у иттрия и тяжелых элементов семейства лантаноидов
- гадолиния , тербия, диспрозия , гольмия , эрбия , тулия - размеры трехвалентного иона практически одинаковы, разница в сотые доли ангстрема.
Трудность его выделения (как, впрочем, и любого из его аналогов) привела к тому, что на протяжении десятилетий свойства этого элемента оставались почти не изученными. Первый металлический иттрий (сильно загрязненный примесями) получен Фридрихом Вёлером в 1828 г., но и через 100 лет плотность иттрия не была определена достаточно точно. Даже состав окиси иттрия никто не определил верно до появления периодического закона. Считали, что это YO; правильную формулу - Y 2 O 3 - первым указал Менделеев.
Иттрий - ближаиший аналог лантаноидов
К числу «редких земель» этот химический элемент отнесли не случайно. Всем своим обликом и поведением он подобен лантану и лантаноидам.
Он легко растворяется в минеральных кислотах, кроме, как это ни странно, плавиковой. В кипящей воде он постепенно окисляется, а на воздухе при температуре 400°C окисление иттрия идет достаточно быстро. Но при этом образуется темная блестящая пленка окиси, плотно окутывающая металл и препятствующая окислению в массе. Лишь при 760°C эта пленка теряет защитные свойства, и тогда окисление превращает светло-серый металл в бесцветную или черную (от примесей) окись.
Как и многие лантаноиды, он относится к числу довольно распространенных металлов. По данным геохимиков, содержание иттрия в земной коре 0,0028% - это значит, что элемент № 39 входит в число 30 наиболее распространенных элементов Земли. Тем не менее о нем до последнего времени говорили и писали как о перспективном, но пока «безработном» элементе. Объясняется это прежде всего чрезвычайной рассеянностью элемента № 39, что еще раз подчеркивает его «кровное родство» со скандием, лантаном и лантаноидами.
Минералов, в которых обнаружен иттрий, известно больше сотни. Он есть в полевых шпатах и слюдах, минералах железа, кальция и марганца, в цериевых, урановых и ториевых рудах. Но даже если примесь иттрия сравнительно велика - 1-5% (напомним, что медная руда, содержащая 3% Cu, считается очень богатой), извлечь чистый иттрий чрезвычайно трудно. Мешает сходство, прежде всего сходство с другими редкими землями и, более отдаленное - с кальцием, цирконием и гафнием , ураном и торием, другими «крупно-атомными» элементами (радиус ионов 0,8-1,2 А°).
Окись иттрия, выделенная из гадолинита, в действительности оказалась смесью окислов нескольких элементов. Больше ста лет продолжалось «расщепление» иттрия на все новые и новые элементы.
Иттрий плотно заперт в кристаллической решетке минерала и вырвать его оттуда далеко не просто. Правда, сейчас уже во многих странах налажено попутное извлечение иттрия при переработке цериевых, урановых и ториевых руд; как источник элемента № 39 используют бастнезит и некоторые минералы самого иттрия, прежде всего ксенотим . Но во всех случаях извлечение этого металла - дело трудное и долгое.
Вот как, к примеру, получают иттрий из ксенотима. Казалось бы, просто. Формула минерала - YPO 4 . Давно известно, что лучше всего восстанавливать его из его галогенидов. Значит, нужно провести обменную реакцию: вместо фосфата иттрия получить фторид или хлорид, а затем восстановить его. Всего две производственных стадии - чего проще! Но просто все лишь на бумаге. В действительности в ксенотиме, уже обогащением на магнитном сепараторе, всего 36% Y 2 O 3 (в виде фосфата) и 24% окислов других редкоземельных элементов. И здесь мешает ставшая уже притчей во языцех общность всех этих элементов.
«Вскрывают» минерал, обрабатывая его серной кислотой при высокой температуре. Полученный раствор подают на ионообменную колонну, заполненную катионообменной смолой. Избирательная способность катионита не слишком высока: он принимает почти все трехвалентные положительно заряженные ионы. Значит, на этой стадии иттрий отделяется лишь от «неродственных» элементов, а редкоземельные остаются в колонне вместе с ним.
Чтобы «смыть» его с катионита, через колонку начинают пропускать элюент - раствор этилендиаминтетрауксусной кислоты. Такой «душ» полезен потому, что на этой стадии образуются комплексные соединения иттрия и других редких земель, отличающиеся одно от другого больше, чем классические соединения этих элементов, отчего ионы иттрия и ионы прочих редкоземельных элементов удерживаются катионитом с неодинаковой силой. Значит, в разных фракциях элюента будут преобладать уже разные элементы.
Отобрав иттриевую фракцию и подвергнув ее дополнительной очистке, на нее воздействуют щавелевой кислотой и получают оксалат иттрия. Его прокаливают, превращая в окись. Этим способом на 12 колоннах (высотой 3 и диаметром 0,75 м) за месяц получают чуть больше 100 кг Y 2 O 3 . Впрочем, считать месячную производительность неразумно: процесс длится два месяца. Выход 99,9%-ной окиси иттрия за два месяца - 225 кг.
Еще раз напомним, что описанная схема - одна из многих; чаще всего окись иттрия получают из бастнезита совсем другим путем.
Окись иттрия находит самостоятельное применение. Известно, что она, как и окись скандия, входит в состав ферритов - элементов памяти электронно-вычислительных машин.
Иттрий от окисла к металлу
После того как этот элемент отделен от основной массы редкоземельных элементов, его нужно восстановить. Для этого окись превращают в один из галогенидов иттрия, например, во фторид:
Y 2 O 3 + 6HF - 700°C → 2YF 3 + 3H 2 O.
Это соединение смешивают с дважды перегнанным металлическим кальцием, помещают все в танталовый тигель и закрывают перфорированной крышкой. Тигель отправляют в кварцевую индукционную печь. Печь закрывают, откачивают из нее воздух и начинают медленно нагревать. Когда температура достигнет 600°C, в печь пускают аргон, а прекращают его подачу, когда давление в печи достигнет 500 мм ртутного столба. Затем температуру повышают до 1000°C, и восстановление начинается. Реакция 2YF 3 + 3Ca 2 Y + 3CaF 2 -
экзотермическая, и температура в печи продолжает расти. Тогда еще «поддают жару», доводят температуру до 1600°C (в этих условиях лучше разделяются металл и шлак), после чего дают печи остыть.
Шлак легко откалывается, и остается слиток иттрия чистотой до 99%. Примесь кальция без труда удаляется вакуумной переплавкой; труднее избавиться от тантала (0,5-2%) и кислорода (0,05-0,2%). Но и это можно сделать и получить слитки, пригодные для промышленного использования и для уточнения физико-химических характеристик элемента № 39. Рассказывая о свойствах иттрия, обороты «только один» или «только одна» можно применить лишь дважды.
Во-первых, для этого элемента неприменимо такое общее, казалось бы, понятие, как «природная смесь изотопов». Нет у него природной смеси: весь естественный иттрий - это только один стабильный изотоп иттрий-89. И только одну валентность (3+) проявляет иттрий во всех известных соединениях. Но, возможно, это утверждение не есть «истина в последней инстанции». Сложности получения элементного иттрия и высокая цена (килограмм иттрия еще недавно стоил 440 долларов) в течение многих лет сдерживали исследования элемента № 39 и его соединений. Поэтому не исключено, что когда-нибудь будут получены соединения иттрия с «нестандартной» валентностью, как это случилось, например, с алюминием. Ведь во времена, когда алюминиевая посуда была привилегией королей, ни один химик не подозревал о существовании соединений одновалентного алюминия.
Перспективы иттрия
Иттрий долго ходил в «перспективных». Еще в книгах, изданных в начале 60-х годов прошлого века, этот металл считали перспективным и не больше. Так, во втором издании известного английского справочника «Rare Metalls Handbook», вышедшем в Лондоне в 1961 г., последняя часть раздела «Иттрий» посвящена не применению этого элемента, а лишь перспективам его применения. В «Курсе общей химии» Б. В. Некрасова (издание 1962 г.) говорится: «Практического применения отдельные элементы подгруппы скандия (а значит, и иттрий. - Ред.) и их производные еще не находят...» И это отражало истинное положение вещей.
Можно было считать этот химический элемент перспективным. Залогом тому - его свойства: высокие температуры плавления и кипения - соответственно 1520 и 3030°C; упругость примерно такая же, как у алюминия и магния; прочность, сравнимая с прочностью титана . И плюс к этому относительная легкость (плотность иттрия 4,47 г/см 3) и малое эффективное сечение захвата тепловых нейтронов, т. е. способность почти не тормозить цепную реакцию, если он применен в конструкции атомного реактора.
Но по каждой отдельно взятой характеристике он уступал тому или иному металлу. Авиаконструкторы и проектировщики новых реакторов могут пока обойтись без него. Они, видимо, охотно применили бы иттрий, будь он более доступен, но каждый раз закладывали в свои проекты другие материалы - или с лучшими «природными данными», или менее дефицитные.
Лишь в последние годы положение стало меняться. Все чаще в печати появляются сообщения о том, что иттрий и его сплавы применили в том или ином детище новейшей техники. В частности, из иттрия стали делать трубопроводы, по которым транспортируют жидкое ядерное горючее - расплавленный уран или плутоний . Иттрий высокой чистоты легко вытягивается в трубы, хорошо сваривается в атмосфере инертного газа и, что очень важно, отлично шлифуется. С ураном и плутонием он практически не реагирует, что, естественно, делает иттриевые трубы более долговечными. Из сплавов иттрия с бериллием стали делать отражатели и замедлители нейтронов, работающие в атомных реакторах при температуре более 1100°C.
Элемент № 39 содержится во множестве минералов. Еще один богатый им минерал найден в 1961 г. в Казахстане и назван гагаринитом - в честь Юрия Гагарина. Но снимке: кристаллы гагаринита в кварце (в натуральную величину). Фото минералога А. В. Степанова, одного из первооткрывателей гагаринита
Появились сообщения о применении иттрия в авиастроении. Это тоже понятно: известно, что иттрий-алюминиевые сплавы по прочности почти не уступают стали, что добавка элемента № 39 значительно повышает прочность легких авиационных сплавов на основе магния, особенно при повышенных температурах.
Наконец, иттрий начали применять и как «витамин витаминов». «Витаминами стали» называют хром , ванадий , молибден и другие легирующие металлы. Небольшие добавки иттрия улучшают многие свойства этих «витаминов». Всего 0,1-0,2% элемента № 39, добавленные в хром, цирконий, титан, молибден, делают структуру этих металлов более мелкозернистой. Облагороженный иттрием ванадий становится и более пластичным - иттрий действует как раскислитель, связывает кислород и азот , в результате чего промышленный ванадий утрачивает присущую ему хрупкость.
Начинается проникновение иттрия и в черную металлургию - работа его в качестве легирующего металла. Так, нержавеющая сталь, содержащая 25% хрома, устойчива против окисления при температурах до 1093°C. Добавка 1% иттрия повышает этот предел до 1371°C.
Все эти примеры показывают, что сегодня считать иттрий только «перспективным» неправильно, его служба людям уже началась. И мы не ошибемся, утверждая, что в статье об иттрии, которую напишут лет через десять, число подобных примеров станет несравненно больше.
Фридрих Энгельс писал, что когда у общества появляется техническая потребность, то она продвигает науку быстрее, чем десяток университетов. Техническая потребность в иттрии уже появилась.
Иттрий - химический элемент с символом Y и атомным числом 39. Это - серебристый металл переходного типа, химически подобный лантаноидам, и часто классифицируемый как "редкоземельный элемент". Иттрий почти всегда считается вместе с лантаноидами редкоземельным металлом и никогда не находится в природе как свободный элемент. Его единственный устойчивый изотоп, 89Y, является также его единственным природным изотопом.
Подтвержденные запасы иттрия имеются в месторождениях двуокиси циркония в Даббо Новый Южный Уэльс, Австралия. Существенные запасы иттрия обнаружены на месторождении в горе Бокэн, на острове Принца Уэльского, Аляска.
Дополнительные запасы иттрия имеются в магнетитах и апатитах, залежах полезных ископаемых тантала и ниобия, незолотых приисках, месторождениях монацитов, осадочных залежах фосфата и руд урана, а особенно в Районе слепой реки около Эллиота Лэйка, Онтарио, Канада, которые содержат иттрий в браннеритах, ионацитах и уранитах.
Канадские запасы также присутствуют в алланитах, апатитах и бритолитах на Озере Рая, Манитоба; алланитах и апатитах на озере Хоидас, Саскачеван; и фергузонитах и ксенотимах на озере Тор, Северо-Западные территории.
Оценки запасов для Австралии были пересмотрены в 2012 году на основании новой информации, доступной через правительственные отчеты. Добыча оксидов редкоземельных металлов в Австралии, включая окись иттрия, по оценкам, составила 2,200 тонн в 2011 году и 4,000 тонн в 2012 году. Производство оксидов редкоземельных металлов в США в 2012 году, согласно оценкам, составило приблизительно 7,000 тонн. Информация о содержании окиси иттрия в этих объемах не была доступна.
Запасы на месторождениях иттрия в 2012 году, тыс.тонн *
* данные US Geological Survey
Китай был источником большей части поставки иттрия в мире, с его глиняных месторождений в южных областях, прежде всего Фуцзянь, Гуандун и Цзянси, и месторождений в Гуанкси и Хунани. Получение иттрия осуществлялось прежде всего на заводах в Гуандуне, Цзянсу и областях Цзянси. В Индии предприятие по производству иттрия из монацитов мощностью 10,000 тонн в год, согласно ожиданиям, будет запущено в конце 2013 года. В Малайзии ввод в действие предприятия по переработке оксидов редких земель был отсрочен в результате обращений от активистов природозащитной организации.
В США иттрий потребляется, главным образом, в форме оксидов высокой чистоты для фосфорных составов. Меньшее количество используется в керамике, электронных устройствах, лазерах и металлургической прмышленности. Импорт иттрия в США уменьшился из-за экономических условий, экономии материалов, замены, и увеличения импорта продуктов с добавленной стоимостью. В 2012 году, на основе веса брутто, приблизительно 95% импортированных иттриевых материалов и составов, содержащих в развес от 19% до 85%-ый Y2O3 были поставлены из Китая (35%) и Японии (60%). Ведущим источником металлического иттрия был Китай.
* данные US Geological Survey
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). Очень важным качеством как металлического иттрия, так и ряда его сплавов является то обстоятельство, что будучи активным химически, иттрий при нагревании на воздухе покрывается пленкой оксида и нитрида, предохраняющих его от дальнейшего окисления до 1000C.
Иттрий - один из элементов, используемых для получения красного цвета в телевизорах CRT. Оксид оттрия (Y2O3) служит основной решеткой, которая покрывается реагентом с катионом Eu3+. В результате получается покрытый катионом европия ортованадат иттрия YVO4:Eu3+ или сульфид окиси иттрия Y2O2S:Eu3. В сочетании с этими веществами используется фосфор. Сам красный цвет фактически испускается от европия, в то время как иттрий собирает энергию из электронной пушки и передает ее к фосфору, таким образом на экране возникает красный цвет. Составы иттрия могут служить основными решетками для того, чтобы покрывать их различными катионами лантаноидов. Например, Tb3+ используется в качестве агента, приводящего к зеленой люминесценции. Оксид иттрия также используется в качестве добавки спекания в производстве пористого кремния, азотирования и как общий стартовый материал и для материальной науки и для того, чтобы произвести другие соединения иттрия.
Соединения иттрия используются в качестве катализатора для этиленовой полимеризации. Как металл, иттрий используется на электродах некоторых высокоэффективных свечей зажигания. Иттрий также используется в производстве газовых мантий для пропановых фонарей как замена для тория, который радиоактивен. Иттрий используется как стабилизатор двуокиси циркония в особенности как твердый электролит и как кислородный датчик в автомобильных системах выпуска.
Гранаты. Иттрий используется в производстве большого количества синтетических гранатов, а оксид иттрия используется, чтобы сделать железные гранаты иттрия (Y3Fe5O12 или YIG), которые являются очень эффективными микроволновыми фильтрами. У железных, алюминиевых и гадолиниевых гранатов иттрия (например, Y3 (Fe, Al) 5O12 и Y3 (Fe, Ge) 5O12) есть важные магнитные свойства. YIG также очень эффективен как акустический энергетический передатчик и преобразователь. Алюминиевый гранат иттрия (Y3Al5O12 или YAG) имеет твердость 8,5 и также используется в качестве драгоценного камня в ювелирных изделиях (моделируемый алмаз). Покрытый церием алюминиевый гранат иттрия (YAG:Ce) кристаллы используется в качестве фосфора, чтобы сделать белые LED.
YAG, оксид иттрия, фторид лития иттрия (LiYF4) и ортованадат иттрия (YVO4) используются в сочетании с допантами, такими как неодимий, эрбий, иттербий в почти всех инфракрасных лазерах. Лазеры YAG имеют способность работать с большой мощностью и используются для того, чтобы сверлить и обрабатывать металл.
Материальный усилитель. Небольшие количества иттрия (от 0,1 до 0,2%) используются, чтобы уменьшить размеры зерна хрома, молибдена, титана и циркония. Он также используется, чтобы увеличить прочность сплавов алюминия и магния. Добавление иттрия к сплавам вообще улучшает обрабатываемость, добавляет сопротивление высокотемпературной перекристаллизации и значительно увеличивает сопротивление высокотемпературному окислению.
Иттрий может использоваться совместно с ванадием и другими цветными металлами. Оксид иттрия используется, чтобы стабилизировать кубическую форму двуокиси циркония для использования в ювелирных изделиях.
Иттрий изучался для возможного применения при создании узлового чугуна, который обладает большей податливостью (графит формирует компактные узелки вместо хлопьев, чтобы сформировать узловой чугун). Окись иттрия может также использоваться при производстве керамических и стеклянных изделий, так как она имеет высокую точку плавления и небольшой коэффициент теплового расширения.
Медицина. Радиоактивный изотоп иттрий 90 используется в веществах для лечения различных раковых образований, включая лимфому, лейкемию, рак яичников, поджелудочной железы, и раковых образований костей. Он проникает в моноклональные антитела, которые, в свою очередь, связываются с раковыми клетками и убивают их с помощью интенсивного бета-излучения.
Иглы из иттрия 90, которые более точные, чем скальпели, используются при операциях на спинном мозге, чтобы разъединить передающие боль нервы, а также он используется при лечении воспаленных суставов, особенно коленей, в случаях, таких как ревматоидный артрит.
Сверхпроводники. Иттрий использовался в сверпроводниках из иттрий-бариево-медной окиси (YBa2Cu3O7, иначе "YBCO" или "1-2-3"), которые были получены в университете Алабамы и университете Хьюстона в 1987 году. Этот сверхпроводник работал при температуре 93K, что выше точки кипения жидкого азота (77,1K). Поскольку цена жидкого азота ниже, чем жидкого гелия, который должен использоваться для металлических сверхпроводников, эксплуатационные расходы уменьшились.
В 2012 году редкоземельные металлы добывались только одной американской компанией. В основном они использовались для цветного телевидения и компьютерных мониторов, температурных датчиков, люминесцентных ламп и усиливающих рентген экранов. Устойчивая (с добавлением иттрия) двуокись циркония использовалась в абразивах, печатях, высокотемпературных рефракторах для носиков непрерывной разливки, покрытий реактивных двигателей, кислородных датчиках в автомобильных двигателях, ювелирных изделиях и износостойких и стойких к коррозии режущих инструментах. В электронике гранаты железа иттрия были компонентами в микроволновом радаре, чтобы управлять высокочастотными сигналами. Иттрий был важным компонентом в кристаллах лазера алюминиевого граната иттрия, используемых в медицинских и стоматологических операциях, цифровых коммуникациях, температурных датчиках, промышленной обработке и сварке, нелинейной оптике, фотохимии и фотолюминесценции. Иттрий также использовался в сплавах нагревательного элемента, высокотемпературных сверхпроводниках и суперсплавах.
Приблизительное распределение в 2012 году в конечном использовании было следующим: фосфор - 44%, металлургия - 13% и прочее - 43%.
Потребление иттрия в США предположительно снизилось в 2012 году, с учетом данных об импорте. Спрос на иттрий в США также был отмечен в таких секторах, как электроэнергетика и электроника.
В период с 1998 по 2007 год цены на иттрий на мировом рынке изменялись незначительно и находились в районе 100 долл./кг. В 2008-2009 годах цены на металл снизились до 40 долл./кг по причине мирового экономического кризиса и падения спроса. По мере восстановления спроса в конце 2010 года и в 2011 году произошел резкий рост цен на иттрий. В результате стоимость металла на мировом рынке достигла 160 долл./кг.
В 2012 году вследствие падения спроса импорт и цены на металлический иттрий и окись стали снижаться. В целом, цены на металлический иттрий и окись были относительно устойчивыми в первые три квартала 2012 года, но они значительно снизились значительно в четвертом квартале.
Материалы-заменители иттрия существуют во многих областях применения, но они намного менее эффективны. В большей части сфер потребления металла, особенно в электронике, лазерах и фосфорных компонентах, иттрию практически нет адекватной замены другими элементами. Стабилизатором двуокиси циркония, окись иттрия можно заменить негашеной известью или магнезией (окисью магния), но эти вещества дают гораздо меньший эффект.
Отсутствие заменителей свидетельствует о том, что спрос на иттрий, несмотря на некоторые взлеты и падения, останется стабильным и возможно даже будет расти в ближайшие годы.
ИТТРИЙ радиоактивный (Yttrium; Y ) - химический элемент III группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Порядковый номер 39, ат. вес (масса) 88,905. И. относится к редким рассеянным металлам, его максимальная положительная валентность равна трем.
И. имеет один стабильный изотоп - 89 Y (100%) и 20 радиоактивных с атомными весами от 82 до 96; в их числе два относительно долгоживущих изотопа - 88 Y (108,1 дня) и 91 Y (58,8 дня). Остальные изотопы И. имеют минутные и часовые периоды полураспада. В медицине применяется иттрий-91 и гл. обр. короткоживущий иттрий-90 (64 часа).
Иттрий-91 испускает (бета-излучение с граничными энергиями двух спектров Е бета =1,545 МэВ (99,78%) и 0,34 (0,22%), а также гамма-излучение весьма малой интенсивности с энергией 1,21 МэВ (0,22%). Иттрий-90 тоже практически чистый бета-излучатель с бета-спектром из двух составляющих, основная из которых обладает высокой граничной энергией, равной 2,27 МэВ (Еср=0,93 МэВ), а вторая- 0,513 МэВ (0,02%). При распаде 90Y испускается также весьма слабое гамма-излучение (0,02%) с энергией 1,76 МэВ.
Иттрий-91 извлекают из продуктов деления урана, в частности из облученных в реакторе отработанных тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). Иттрий-90 получают облучением в реакторе природного И. по ядерной реакции 89 Y(n, гамма).
Однако в виду низкого сечения активации (1,26 барн) по этой реакции получается препарат И. с носителем невысокой удельной активности. 90 Y без носителя можно получить также, выделяя его из продуктов деления урана, но при этом он будет в смеси с более долгоживущим 91 Y, что нежелательно.
Для получения чистого без носителя 90 Y его химически выделяют из равновесной смеси с долгоживущим материнским изотопом 90 Sr, являющимся одним из основных продуктов деления урана. При необходимости регулярного получения иттрия-90 используют изотопный генератор 90 Sr - 90 Y, когда из одной и той же порции стронция по мере потребности элюируют 90 Y (см. Генераторы радиоактивных изотопов). При этом в случае приготовления иттрия-90 для клин, применения тщательно следят за тем, чтобы в элюате не оказалось примеси высокорадиотоксичного стронция-90, для чего при необходимости проводят повторную очистку И. от стронция, достигая снижения величины его примеси до 10 -4 -10 -5 %.
И. применяют в медицине в основном для лучевой терапии опухолей различной локализации в виде коллоидных р-ров, суспензий (см. Радиоактивные коллоиды), микросфер и гранул (см. Радиоактивные препараты).
Так, олеат 90 Y применяют для лучевой терапии опухолей небольших размеров (диам, до 3 см), локализующихся в коже и подкожной клетчатке; силикат 90 Y - для терапии злокачественных новообразований, расположенных поверхностно, а также для профилактического введения в послеоперационные рубцы; гранулы с 90 Y - для лечения опухолей мозга основания черепа, гипофиза.
И. относится к радиоизотопам средней радиотоксичности. На рабочем месте без разрешения сан.-эпид, службы может использоваться препарат И. активностью до 10 мккюри.
Библиография: Левин В. И. Получение радиоактивных изотопов, с. 80 и др., М., 1972; Нормы радиационной безопасности (НРБ-76), М., 1978.
В. В. Бочкарев.
