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钇   39Y
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鿬(预测为卤素)
鿫(预测为惰性气体)




外观
银白色
概况
名称·符号·序数 钇(Yttrium)·Y·39
元素类别 过渡金属
·周期· 3 ·5·d
标准原子质量 88.90584(2)
电子排布

[] 4d1 5s2
2, 8, 18, 9, 2

历史
发现 约翰·加多林(1794年)
分离 卡尔·古斯塔夫·莫桑德英语Carl Gustaf Mosander(1840年)
物理性质
物态 固体
密度 (接近室温
4.472 g·cm−3
熔点时液体密度 4.24 g·cm−3
熔点 1799 K,1526 °C,2779 °F
沸点 3203 K,2730 °C,5306 °F
熔化热 11.42 kJ·mol−1
汽化热 363 kJ·mol−1
比热容 26.53 J·mol−1·K−1

蒸气压

压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 1883 2075 (2320) (2627) (3036) (3607)
原子性质
氧化态 3, 2, 1(碱性氧化物)
电负性 1.22(鲍林标度)
电离能

第一:600 kJ·mol−1
第二:1180 kJ·mol−1

第三:1980 kJ·mol−1
原子半径 180 pm
共价半径 190±7 pm
杂项
晶体结构 六方密堆积
磁序 顺磁性[1]
电阻率室温)(α、多晶)596 n Ω·m
热导率 17.2 W·m−1·K−1
膨胀系数室温)(α、多晶)
10.6 µm/(m·K)
声速(细棒) (20 °C)3300 m·s−1
杨氏模量 63.5 GPa
剪切模量 25.6 GPa
体积模量 41.2 GPa
泊松比 0.243
布氏硬度 589 MPa
CAS号7440-65-5
最稳定同位素

主条目:钇的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
87Y 人造 3.35天 ε - 87Sr
γ 0.48, 0.38D -
88Y 人造 106.6天 ε - 88Sr
γ 1.83, 0.89 -
89Y 100% 稳定,带50个中子
90Y 人造 2.67天 β 2.28 90Zr
γ 2.18 -
91Y 人造 58.5天 β 1.54 91Zr
γ 1.20 -

(英语:Yttrium)是化学元素,符号为Y原子序为39,是银白色过渡金属,化学性质与镧系元素相近,且常归为稀土金属[2]钇在自然中并不单独出现,而是和镧系元素结合出现在稀土矿中。89Y是钇的唯一一种稳定同位素和自然同位素。

1787年,卡尔·阿克塞尔·阿列纽斯英语Carl Axel Arrhenius在瑞典伊特比附近发现了一种新的矿石,即硅铍钇矿,并根据发现地村落的名称将它命名为“Ytterbite”。约翰·加多林在1789年于阿列纽斯的矿物样本中,发现了氧化钇[3]安德斯·古斯塔夫·埃克贝格英语Anders Gustaf Ekeberg把这一氧化物命名为“Yttria”。弗里德里希·维勒在1828年首次分离出钇的单质。[4]

钇的最大用途在于磷光体的生产,特别是红色LED和电视机阴极射线管(CRT)显示屏的红色磷光体。[5]钇元素也被用于电极电解质电子滤波器激光器超导体中,也有多项医学和材料科学上的应用。钇没有已知的生物用途,人类接触钇元素可导致肺病[6]

性质

钇是一种质软、带光泽的银白色金属晶体,在元素周期表中属于3族。根据周期表的趋势,它的电负性比前面的元素、5族中的下一个元素都要低。由于镧系收缩现象,钇的电负性和相近。[7][8]钇也是第五周期中的首个d区块元素。

成块的纯钇在空气中会在表面形成保护性氧化层(Y2O3),这种“钝化”过程使它相对稳定。在水汽中加热至750 °C时,保护层的厚度可达10微米。[9]不过钇粉末在空气中很不稳定,其金属屑都可以在400 °C以上的温度在空气中被点燃。[4]钇金属在气中加热至1000 °C后会形成氮化钇(YN)。[9]

4 Y + 3 O2 → 2 Y2O3
2 Y + N2 → 2 YN

与镧系元素的相似性

钇元素的性质和镧系元素十分相似,所以在历史上曾一同被归为稀土元素[2]自然中的钇一定与镧系元素共同出现在稀土矿中。[10]

在化学属性上,镧系元素比钇旁边的更接近钇。[11]如果以物理属性对原子序作图,根据趋势,钇的原子序像是在64.5和67.5之间,即位于镧系元素之间。[12]

钇的反应级数也一般在这个区间之内,[9]化学反应活性也与相近。[5]它的大小与属于“钇族”的重镧系元素几乎相同,所以它们的离子在溶液中的属性十分接近。[9][13]虽然所有镧系元素在元素周期表中都位于钇以下的一行,但钇在多方面都却与其极为相似,这是由于镧系收缩现象。[14]

钇和镧系元素间最大的差异在于,钇几乎只会形成三价化合物或离子,但大约半数镧系元素都可以形成三价以外的价态。[9]

化合物及反应

钇可以形成各种无机化合物,氧化态一般为+3,其中钇原子失去其3颗价电子[15]例如白色、固态的氧化钇(III)Y2O3)就是一种六配位的三价钇化合物。[16]

钇可以形成不溶于水的氟化物氢氧化物草酸盐,以及可溶于水溴化物氯化物碘化物硝酸盐硫酸盐[9]Y3+离子在溶液中无色,因为它的d和f电子壳层中缺乏电子。[9]

钇及其化合物会和水产生反应,形成Y2O3[10]硝酸氢氟酸不会对钇产生快速侵蚀,但其他的强酸则可以快速侵蚀钇,产生钇盐。[9]

在200 °C以上温度,钇可以和各种卤素形成三卤化物,如三氟化钇YF3)、三氯化钇YCl3)和三溴化钇英语Yttrium(III) bromideYBr3)。[6]在高温下也都可以和钇形成二元化合物[9]

钇的有机化合物中都含有碳﹣钇键,其中一些化合物中的钇呈0氧化态。[17][18](科学家在氯化钇熔体中曾观测到+2态,[19]以及在钇氧原子簇中观测到+1态。[20])有机钇化合物可以催化某些三聚反应。[18]这些化合物的合成过程都从YCl3开始,而YCl3则是经Y2O3与浓盐酸氯化铵进行反应所得。[21][22]

哈普托数指中心原子对于周边配位体原子的配位数,符号为η。科学家首次在钇配合物中发现碳硼烷配位体能以η7哈普托数与d0金属中心原子进行配位。[18]石墨层间化合物石墨-Y和石墨-Y2O3在气化后会产生内嵌富勒烯,例如Y@C82[5]电子自旋共振研究显示,这种富勒烯是由Y3+和(C82)3−离子对所组成的。[5]Y3C、Y2C和YC2等碳化物在水解后会形成[9]

核合成及同位素

太阳系中的钇元素是在恒星核合成过程中产生的,大部分经S-过程(约72%),其余的经R-过程(约28%)。[23]在R-过程中,轻元素在超新星爆炸中进行快中子捕获;而在S-过程中,轻元素在红巨星脉动时,在星体内部进行慢中子捕获。[24]

太阳系中大部分的钇都是在红巨星内部形成的,例如图中的蒭藁增二。
太阳系中大部分的钇都是在红巨星内部形成的,例如图中的蒭藁增二

在核爆炸和核反应堆中,钇同位素是裂变过程中的一大产物。在核废料的处理上,最重要的钇同位素为91Y和90Y,半衰期分别为58.51天和64小时。[25]虽然90Y的半衰期短,但它与其母同位素锶-9090Sr)处于长期平衡状态(即产生率接近衰变率),实际半衰期为29年。[4]

所有3族元素的原子序都是奇数,所以稳定同位素很少。[7]钇只有一种稳定同位素89Y,这也是它唯一一种自然同位素。在S-过程当中,经其他途径产生的同位素有足够时间进行β衰变中子转换为质子,并释放电子反微中子)。[24]中子数为50、82和126的原子核原子量分别为90、138和208)特别稳定[注 1],所以这种慢速过程使这些同位素能够保持其较高的丰度。[4]89Y的质量数和中子数分别靠近90和50,所以其丰度也较高。

钇的人工合成同位素已知至少有32种,原子质量数在76和108之间。[25]其中最不稳定的同位素为106Y,半衰期只有>150纳秒76Y的半衰期为>200纳秒);最稳定的则为88Y,半衰期为106.626天。[25]91Y、87Y和90Y的半衰期分别为58.51天、79.8小时和64小时,而其余所有人造同位素的半衰期都在一天以下,大部分甚至不到一小时。[25]

质量数在88或以下的钇同位素的主要衰变途径是正电子发射(质子→中子),形成(原子序为38)的同位素;[25]质量数在90或以上的则进行电子发射(中子→质子),形成(原子序为40)的同位素。[25]另外质量数在97或以上的同位素亦会进行少量β缓发中子发射[26]

钇的同核异构体至少有20种,质量数在78和102之间。[25][注 2]80Y和97Y的同核异构体超过一个。[25]钇的大部分同核异构体的稳定性都比基态更低,但78mY、84mY、85mY、96mY、98m1Y、100mY和102mY的半衰期都比它们的基态更高。这是因为这些同核异构体都进行β衰变,而不进行同核异构体转换[26]

历史

1787年,同时为陆军中尉和兼职化学家的卡尔·阿克塞尔·阿列纽斯(Carl Axel Arrhenius)在瑞典伊特比村(现属于斯德哥尔摩群岛)附近的一处旧采石场发现了一块黑色大石。[3]他认为这是一种未知矿石,含有当时新发现的元素,[27]并将其命名为“Ytterbite”。[注 3]样本被送往多个化学家作进一步分析。[3]

氧化钇的发现者约翰·加多林
氧化钇的发现者约翰·加多林

奥布皇家学院约翰·加多林于1789年在阿列纽斯的样本中发现了一种新的氧化物,并于1794发布完整的分析结果。[28][注 4]安德斯·古斯塔夫·埃克贝格(Anders Gustaf Ekeberg)在1797年证实了这项发现,并把氧化物命名为“Yttria”。[29]安东万·拉瓦锡提出首个近代化学元素定义之后,人们认为氧化物都能够还原成元素,所以发现新氧化物就等同于发现新元素。对应于Yttria的元素因此被命名为“Yttrium”。[注 5]

1843年,卡尔·古斯塔夫·莫桑德(Carl Gustaf Mosander)发现,该样本中其实含有三种氧化物:白色的氧化钇(Yttria)、黄色的氧化铽(Erbia)以及玫红色的氧化铒(Terbia)。[30][注 6]1878年,让-夏尔·加利萨·德马里尼亚(Jean Charles Galissard de Marigna)分离出第四种氧化物氧化镱[31]这四种氧化物所含的新元素都以伊特比命名,除钇以外还有(Ytterbium)、(Terbium)和(Erbium)。[32]在接下来的数十年间,科学家又在加多林的矿石样本中发现了7种新元素。[3]马丁·海因里希·克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)后将这种矿物命名为加多林矿(Gadolinite,即硅铍钇矿),以纪念加多林为发现这些新元素所做出的贡献。[3]

1828年,弗里德里希·维勒把无水三氯化钇一同加热,首次产生了钇金属:[33][34]

YCl3 + 3 K → 3 KCl + Y

钇的化学符号最初是Yt,直到1920年代初才开始转为Y。[35]

1987年,科学家发现钇钡铜氧具有高温超导性质。[36]它是第二种被发现拥有这种性质的物质,[36]而且是第一种能在的沸点以上达到超导现象的物质。[注 7]

存量

磷钇矿含有钇,图为磷钇矿晶体。
磷钇矿含有钇,图为磷钇矿晶体。

丰度

钇元素出现在大部分稀土矿英语Rare-earth mineral[8]和某些矿中,但从不以单质出现。[37]钇在地球地壳中的丰度约为百万分之31,[5]在所有元素中排第28位,是丰度的400倍。[38]泥土中的钇含量介乎百万分之10至150间(去水后平均重量占百万分之23),在海水中含量为一兆(万亿)分之9。[38]美国阿波罗计划期间从月球采得的岩石样本中含有较高的钇含量。[32]

钇元素没有已知的生物用途,但几乎所有生物体内都存在少量的钇。进入人体后,钇主要积累在肝、肾、脾、肺和骨骼当中。[39]一个人体内一共只有约0.5毫克的钇,而人乳则含有百万分之4的钇。[40]在食用植物中,钇的含量在百万分之20至100之间(鲜重),其中以卷心菜为最高;[40]木本植物种子中的含量为百万分之700,是植物中已知最高的。[40]

生产

钇的化学性质与镧系元素非常相似,所以经过各种自然过程,这些元素都一同出现在稀土矿中。[41][42]

钇很难从其他稀土元素中分离出来。图为钇金属块。
钇很难从其他稀土元素中分离出来。图为钇金属块。

稀土元素共有四种来源:[43]

  • 含碳酸盐和氟化物的矿石,如氟碳铈矿英语Bastnäsite([(Ce, La, …)(CO3)F]),平均钇含量为0.1%。[4][41]1960年代至1990年代间,氟碳铈矿的主要来源是美国加州山口(Mountain Pass)稀土矿场,因此美国是这段时期稀土元素的最大产国。[41][43]
  • 独居石(即磷铈镧矿,[(Ce, La, …)PO4])是一种漂沙沉积物,为花岗岩移动及重力分离之后的产物。独居石含2%[41](或3%)[44]的钇。20世纪初的最大矿藏位于印度和巴西,两国当时是最大产国。[41][43]
  • 磷钇矿是一种含有稀土元素的磷酸盐矿物,其中包括磷酸钇(YPO4),矿物的钇含量约为60%。[41]最大矿藏是位于中国内蒙古白云鄂博铁矿。在1990年代山口稀土矿场关闭之后,中国继而成为目前稀土元素的最大产国。[41][43]
  • 离子吸附型粘土是花岗岩的风化产物,含1%的稀土元素。[41]处理后的精矿的钇含量可以达到8%。离子吸附型粘土主要在中国南部开采生产。[41][43][45]钇也出现在铌钇矿英语Samarskite-(Y)褐铌钇矿英语Fergusonite中。[38]

从混合氧化物矿中提取纯钇的其中一种方法是把样本溶于硫酸,再以离子交换层析法进行分离。加入草酸后,草酸钇会沉淀出来。草酸钇在氧气中加热,会转化为氧化钇,再与氟化氢反应后变为氟化钇[46]使用季铵盐作为萃取剂,钇会维持水溶状态。以硝酸盐作抗衡离子,可以去除轻镧系元素;以硫氰酸盐作抗衡离子,可以去除重镧系元素。这种过程可以产生纯度为99.999%的钇。一般钇占重镧系元素混合物的三分之二,所以为了方便分离其他的元素,须先移除钇元素。

全球氧化钇年产量在2001年达到600吨,储备量估计有9百万吨。[38]合金可以把三氟化钇还原成海绵状钇金属,如此生产出的钇金属每年不到10吨。电弧炉所达到的1,600 °C温度足以熔化钇金属。[38][46]

应用

日用品

钇是其中一种用于阴极射线管电视机荧屏中红色磷光体的元素。
钇是其中一种用于阴极射线管电视机荧屏中红色磷光体的元素。

氧化钇Y2O3)可以做Eu3+过程中所用的主体晶格,以及正钒酸钇YVO4:Eu3+或氧硫化钇Y2O2S:Eu3+磷光体的反应剂。这些磷光体在彩色电视机的显像管中能产生红光。[4][5]实际上红光是铕所产生的,钇只是把电子枪英语Electron gun的能量传递到磷光体上。[47]钇化合物还可以为不同镧系元素阳离子做掺杂过程的主体晶格,除了Eu3+外,还有能发出绿光的掺Tb3+磷光体。氧化钇可以在多孔氮化硅的生产过程中作烧结添加剂。[48]它还是材料科学中的常用原料,许多钇化合物的合成也需要从氧化钇开始。

钇同位素可以催化乙烯聚合反应[4]一些高性能火花塞的电极以钇金属作为材料。[49]丙烷灯网罩的生产过程中,钇可以代替具有放射性元素。[50]

钇稳定氧化锆是一种正在研发当中的材料,可以做固态电解质,以及在汽车排气系统中用于探测氧含量。[5]

石榴石

直径0.5厘米的Nd:YAG激光晶棒
直径0.5厘米的Nd:YAG激光晶棒

钇可以用来生产各种合成石榴石[51]钇铁石榴石Y3Fe5O12,简称YIG)是十分有效的微波电子滤波器,生产就需用到氧化钇。[4]钇、石榴石(如Y3(Fe,Al)5O12和Y3(Fe,Ga)5O12)具有重要的磁性质[4]钇铁石榴石是一种高效声能发射器和传感器。[52]钇铝石榴石Y3Al5O12,简称YAG)的莫氏硬度为8.5,能当宝石作首饰之用(人造钻石)。[4]的钇铝石榴石(YAG:Ce)晶体可用在白色发光二极管的磷光体中。[53][54][55]

钇铝石榴石、氧化钇、氟化钇锂LiYF4)和正钒酸钇YVO4)可以用在近红外线激光器中,可用的掺杂剂包括[56][57]钇铝石榴石激光器能够在大功率下运作,可应用在金属钻孔和切割上。[44]单个钇铝石榴石晶体一般是经由柴可拉斯基法生产出来的。[58]

材料增强

添加少量的钇(0.1%至0.2%)可以降低的晶粒度。[59]它也可以增强合金和合金的材料强度。[4]在合金中加入钇,可以降低加工程序的难度,使材料能抵抗高温再结晶,并且大大提高对高温氧化的抵御能力。[47]

钇还能对以及其他非铁金属进行去氧。[4]氧化钇可以稳定立方氧化锆的结构,使它适合作为首饰。[60]

科学家正在研究钇的球化性质,这可能有助生产球墨铸铁。如此生产出来的铸铁具有较高的延展性石墨形成小球,而非薄片)。[4]氧化钇熔点高,可抵抗冲击,且热膨胀系数也较低,因此能用来制造陶瓷玻璃[4]例如某些照相机镜头[38]

钇90局部放射线疗法,术前会以同位素进行流体模拟测试
钇90局部放射线疗法,术前会以同位素进行流体模拟测试

医学

钇-90是一种放射性同位素,被用在依多曲肽英语Edotreotide替伊莫单抗英语Ibritumomab tiuxetan等抗癌药物中,可治疗淋巴癌白血病卵巢癌大肠癌胰腺癌骨癌英语Bone tumor等等。[40]该药物会附在单克隆抗体上,与癌症细胞结合后以钇-90的强烈β辐射把癌细胞中的DNA产生变异,经过半衰期间内的放射曝露,之后经由生物克隆的特性,致使癌细胞DNA无法继续往下转录繁衍,一般被仍定为成功的治疗,约需经过3-6个月的观察周期而论。不过钇90仍旧属于局部放射疗法之一,仍旧可能带给治疗患者不可预期的伤害,例如:急性肝衰竭。[61]

用钇-90做的针头可以比解剖刀更加精确,可用于割断脊髓里的疼痛神经[27]在治疗类风湿性关节炎时,钇-90还能用在发炎关节的滑膜切除术中,特别针对膝盖部位。[62]

曾有实验在犬类身上用掺钕的钇铝石榴石激光来进行前列腺切除术,手术由机器人协助,能够降低对周边神经等组织的损伤。[63]掺铒的钇铝石榴石则开始被用在磨皮整容手术上。[5]

超导体

钇钡铜氧超导体
钇钡铜氧超导体

1987年,阿拉巴马大学休斯顿大学研发了钇钡铜氧(YBa2Cu3O7,又称YBCO或1-2-3)超导体[36]它可以在93 K温度下运作,比液氮的沸点(77.1 K)要高。[36]其他超导体都必须使用价格更高的液氦降温,所以这项发现能降低成本。

实际超导材料的化学式为YBa2Cu3O7–d,其中d必须低于0.7才会使材料成为超导体。具体原因未知,但目前科学家知道在晶体内只有某些位置会出现空缺,即位于氧化铜平面和链上。这造成铜原子拥有奇特的氧化态,这再因某种原因引致了超导性质。

BCS理论在1957年被发布之后,人们对低温超导的认知已经非常详尽了。这种现象与两颗电子在一个晶格当中的特殊交互作用相关。然而高温超导却在这一理论的解释范围外,其确切原理仍是未知的。实验所得出的结果指出,材料中氧化铜分量必须十分准确才能带出超导性质。[64]

这一物质呈黑绿色,为一多晶、多相态矿物。科学家正在研究一类成分比例不同的物质,称为钙钛矿,并希望能最终研发出一种更为实用的高温超导体[44]

安全性

水溶钇化合物具微毒性,但非水溶化合物则不具毒性[40]动物实验显示,钇及其化合物会造成肝和肺的破坏,但不同化合物的毒性程度各异。老鼠在吸入柠檬酸钇后,产生肺水肿英语Pulmonary edema呼吸困难,吸入氯化钇后则有肝性水肿、胸腔积液英语Pleural effusion及肺充血等症状。[6]

钇化合物对人类可引致肺病。[6]钒酸钇铕飘尘会对人的眼部、皮肤和上呼吸道有轻微的刺激,但这可能是飘尘的钒成分所导致的,而不是钇。[6]短期暴露在大量钇化合物中,会引致呼吸急促、咳嗽、胸部疼痛以及发绀[6]美国国家职业安全卫生研究所(NIOSH)所建议的允许暴露限值为1 mg/m3,超过500 mg/m3时属于“即时对生命或健康造成危险”。[65]虽然成块的钇金属在空气中相对稳定,但钇金属粉末却属于易燃物。[6]

备注

  1. ^ 参见:幻数。这些原子核的中子捕获截面很低,所以稳定性异常高。(Greenwood 1997,pp.12–13)这些同位素不易发生β衰变,所以拥有较高的丰度。
  2. ^ 同核异构体亦称亚稳态,其能量比处于基态的原子核更高。亚稳态在释放伽马射线转换电子英语Internal conversion之后,才会回到基态。亚稳态以同位素质量数旁的“m”表示。
  3. ^ “Ytterbite”取自发现地村名“Ytterby”,而“-bite”则是矿物的通用后缀。
  4. ^ Stwertka 1998, p. 115称加多林在1789年发现该氧化物,但未指何时发布。Van der Krogt 2005引用原文献,并注明1794年加多林著
  5. ^ 氧化物名称均以“-a”结尾,而新元素名则一般以“-ium”结尾。
  6. ^ 的名称分别是Terbium和Erbium,但两者的氧化物却分别称为“Erbium”和“Terbium”,拼法相反。
  7. ^ 钇钡铜氧的超导临界温度(Tc)为93 K,而氮的沸点为77 K。

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外部链接

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