Yttrium

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Yttrium, Y, 39
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	3, 5, d
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7440-65-5
Massenanteil an der Erdhülle	26 ppm
Atomar
Atommasse	88,90584(2) u
Atomradius (berechnet)	180 (212) pm
Kovalenter Radius	190 pm
Elektronenkonfiguration	[Kr] 4d1 5s2
1. Ionisierungsenergie	600 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1180 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	1980 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	4,472 g/cm3
Magnetismus	paramagnetisch (Χm = 1,2 · 10−4)
Schmelzpunkt	1799 K (1526 °C)
Siedepunkt	3203 K (2930 °C)
Molares Volumen	19,88 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	390 kJ/mol
Schmelzwärme	11,4 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	3300 m/s bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit	1,66 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	17 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	+3
Oxide (Basizität)	Y2O3 (schwach basisch)
Normalpotential	−2,37 V (Y3+ + 3 e− → Y)
Elektronegativität	1,22 (Pauling-Skala)
Isotope
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Pulver Gefahr
H- und P-Sätze	H: 228
	P: 210‐241‐280‐241‐370+378
	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, deren Erz Xenotim enthält, und aus ionenabsorbierenden Tonmineralen, die vor allem im Süden Chinas abgebaut werden, gewonnen.

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 2014 auf 7.000 t Yttriumoxid (Y₂O₃) und den Verbrauch auf 6.000 t. Die Produktion erfolgte fast ausschließlich in China. 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.^[8] Im August 2015 lag der Preis bei ca. 5,5 USD je kg.^[9]

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.^[10] 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. Dotierung von Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator mit Yttrium steigert Leistung und Haltbarkeit

Technisch wichtiger sind die oxidischen Yttriumverbindungen:

Yttrium-Nitrat als Beschichtungsmaterial in einem Glühstrumpf
Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) dient als Laserkristall
Yttrium-Eisengranat (YIG) als Mikrowellenfilter
Yttrium-stabilisiertes Zirconiumdioxid als Festelektrolyt in Brennstoffzellen (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
YInMn-Blau ist ein Mischoxid aus Yttrium-, Indium- und Manganoxiden, das ein sehr reines und brillantes Blau zeigt

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:

Lambda-Sonden
Supraleitern (z. B. Yttrium-Barium-Kupferoxid YBa₂Cu₃O_7–x)
ODS-Legierungen
Zündkerzen

Als reiner Beta-Strahler wird ⁹⁰Y in der Nuklearmedizin zur Therapie eingesetzt, zum Beispiel zur Radiosynoviorthese, der Radionuklidtherapie von Knochenmetastasen und der Radioimmuntherapie.

Biologie

Yttrium gilt als nicht essentiell und giftig. Es ist kein MAK-Wert oder Arbeitsplatzgrenzwert für Yttrium festgelegt.^[7]

Verbindungen

Yttriumoxid Y₂O₃
Yttrium-Aluminium-Granat Y₃Al₅O₁₂
Yttrium-Eisen-Granat Y₃Fe₅O₁₂
Yttriumhydrid YH₃ (CAS: 13598-57-7, thermisch stabiles Hydrid für die Kerntechnik) und YH₂ (CAS: 13598-35-1)
Yttriumfluorid YF₃
Yttriumchlorid YCl₃
Yttriumbromid YBr₃
Yttriumiodid YI₃
Yttriumsulfid Y₂S₃

Einzelnachweise

↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Yttrium) entnommen.
↑ IUPAC, Standard Atomic Weights Revised v2 (Memento vom 3. März 2016 im Internet Archive).
↑ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
↑ 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.
↑ ^6,0 ^6,1 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. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
↑ ^7,0 ^7,1 ^7,2 Eintrag zu Yttrium in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. April 2017 (JavaScript erforderlich).
↑ MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2015. (PDF 2,3 MB, S. 185–186 (182-183)) USGS, abgerufen am 6. September 2015 (english).
↑ Japanese yttrium oxide price keeps steady. www.asianmetal.com, 6. September 2015, abgerufen am 6. September 2015 (english).
↑ G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. (PDF; 1,0 MB). In: Nuclear Physics. Bd. A 729, 2003, S. 3–128.