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Yttrium

chemisches Element mit dem Symbol Y und der Ordnungszahl 39 Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

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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.

Schnelle Fakten Eigenschaften, Allgemein ...

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Geschichte

Zusammenfassung
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1787 fand Carl Axel Arrhenius in der Grube Ytterby bei Stockholm ein unbekanntes schwarzes und schweres Mineral. Sein Freund Bengt Reinhold Geijer untersuchte und beschrieb es, fand durch die Bildung von Berliner Blau Eisen und spekulierte, ob das Mineral möglicherweise Wolfram enthalten könnte.[11][12] Auch Sven Rinman beschrieb unter Pechblende in seinem Bergwerks Lexicon einige Eigenschaften des Minerals. 1794 untersuchte Johan Gadolin die Steinart chemisch und stellte fest, dass die Eigenschaften der enthaltenen Erde (Metalloxid) zu keinem bekannten Element passten. Für die unbekannte Erde vergab er aber noch keinen Namen, da er zu wenig Material zur Verfügung hatte, um die Entdeckung eines neuen Elementes bestätigen zu können.[13] 1797 erhielt Anders Gustaf Ekeberg von Arrhenius eine größere, feldspatfreie Menge des Minerals. Bei seinen Untersuchungen konnte er die Ergebnisse Gadolins bestätigen und fand einen Anteil von 47,5 % der unbekannten Erde. Als Namen schlug er nach dem Fundort Yttria für die neue Erde und (schwedisch) Yttersten für das Mineral.[14] Dieser wurde zu Ytterbit bis Martin Heinrich Klaproth, der auch eine mineralogische Beschreibung durchführte, den Namen zu Ehren Gadolins in Gadolinit änderte.[15]

1828 stellte Friedrich Wöhler erstmals unreines, metallisches Yttrium her. Dazu ließ er zunächst Gadolinit mit Kohle und Chlor in der Hitze reagieren, um Yttriumchlorid zu erhalten. Dieses reduzierte er mit Kalium zum Metall. Nach der Reaktion gab er das Produkt in Wasser, wobei das verbliebene Kalium reagierte und sich das Yttrium als kleine, glänzende, eisengraue Schuppen abschied. Er führte auch einige Reaktionen des Metalls, etwa mit Säuren, Sauerstoff oder Schwefel durch.[16]

Carl Gustav Mosander untersuchte 1843 Yttriumsalze und stellte dabei fest, dass diese nicht nur aus einem, sondern drei verschiedenen Elementen bestanden, die er durch fraktionierte Kristallisation in einen farblosen, einen gelben und einen pinkfarbenen Niederschlag trennte. Für den farblosen behielt er den Namen Yttria, den gelben nannte er Erbia und den pinkfarbenen Terbia.[17] Auch diese stellten sich später als Mischungen verschiedener Elemente heraus, letztendlich wurden acht verschiedene Elemente in Yttriumerzen entdeckt. Neben Erbium und Terbium waren dies Ytterbium, Scandium, Thulium, Holmium, Dysprosium und Lutetium.[18]

1926 wurde ein nur leicht mit Oxid verunreinigtes Yttriummetall elektrolytisch hergestellt, womit 1932 die Kristallstruktur des Elementes ermittelt wurde.[19] Reines Yttrium wurde schließlich 1953 von Frank Harold Spedding durch Reduktion von Yttriumfluorid mit Calcium dargestellt.[20]

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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. Mit der Eröffnung der Mountain Pass Mine in Kalifornien, die bis in die 1990er Jahre große Mengen an Bastnäsit förderte, wurden die USA zum größten Produzenten 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.

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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.[21] 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.[22] Im August 2015 lag der Preis bei ca. 5,5 USD je kg.[23]

Eigenschaften

Thumb
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.

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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.[24] Yttrium-Isotope gehören zu den häufigsten Produkten der Spaltung des Urans in Kernreaktoren und bei nuklearen Explosionen.

→ Liste der Yttrium-Isotope

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Verwendung

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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.[25]

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Biologische Bedeutung 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.[10] Die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) empfiehlt einen MAK-Wert von 1 mg/m3 bei einer Expositionsdauer von 8 Stunden.[26]

Verbindungen

Weblinks

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

Einzelnachweise

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