Энергетическая формула иттрия. Иттрий радиоактивный

Общие сведения и методы получения

Иттрий (Y) - редкоземельный металл светло-серого цвета. Свое назва­ние получил от шведского селения Иттербю. Открыт в 1794 г. финским химиком И. Гадолином. Металлический иприй получен в 1828 г. немец­ким химиком Ф. Велером.

Для отделения основной массы иттрия от других элементов лучшим способом считается его отделение на ионообменных колоннах в процессе разделения РЗМ иттриевой подгруппы.

Для получения иттрия высокой чистоты применяют метод металло-термического восстановления его фторида с использованием в качестве восстановителя стружки кальция. Затем путем переплавки в вакууме и дистилляции получается иттрий чистотой 99,8-99 % Для повышения чистоты его подвергают дву- и трехкратной дистилляции.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 39, атомная масса 88 ,905 а.е.м, атомный объем 19,886*10- 6 м 3 /моль, атомный радиус 0 ,181 нм, ионный радиус Y + 3 0 ,097 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек ато­ма 4 d "5 s 2 .

Природный иттрий состоит из одного устойчивого изотопа 89 Y . Из­вестно 18 искусственных радиоактивных изотопов, важнейшими из ко­торых являются 90 Y и 91 Y , образующегося при делении урана и тория.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Y -3 e »± Y 3+ , (р 0 =-2,1 В. Электрохимический эквивалент 0,30715 мг/Кл.

В соединениях проявляет степень окисления +3. В атмосфере возду­ха при нормальных условиях иттрий весьма устойчив: он лишь слегка тускнеет, но не теряет металлического блеска. При 370-425 °С на по­верхности иттрия образуется черная и плотная пленка оксидов: интен­сивно* 1 окисление начинается выше 760 "С.

Компактный иттрий медленно окисляется в кипящей воде, легко раст­воряется в серной, соляной и азотной кислотах, медленно - в уксусной н почти инертен к плавиковой кислоте. В щелочных средах (1 н. раство­ры NaOH и NH

Иттрий легко взаимодействует с галогенами.

С водородом иттрий образует в интервале 314-1540"С устойчивые металлические гидриды различного состава. При 760 °С иттрий взаи­модействует с азотом, образуя YN.

Технологические свойства

Иттрий - металл достаточно пластичный. Поддается обработке давле­нием в горячем и холодном состояниях. Однако деформируемость его зависит от степени чистоты. Так, в холодном состоянии недостаточно чистый иттрий можно прокатать со степенью обжатия не более 10- 15 % за одни проход. Путем холодной прокатки с небольшими обжати­ями и промежуточными отжигами можно получить из иттрия ленту и фольгу толщиной 0,5-0,05 мм. Горячая прокатка, а также горячая ков­ка и прессование легко осуществляются при 800-850 °С. Однако выше 760 °С происходит интенсивное окисление иттрия, поэтому обработку его давлением прн высоких температурах следует проводить, принимая специальные меры против окисления и газонасыщения (вакуум, защит­ные оболочки, нейтральная атмосфера и др.).

Температура конца рекристаллизации технического иттрия 600°С, а дистиллированного 450-500 °С.

Иттрий легко обрабатывается резанием (обточка, фрезерование, сверление и др.), однако во избежание его возгорания скорости резания необходимо поддерживать минимальными, а также применять постоян­ное охлаждение эмульсией или маслом.

Иттрий легко сваривается дуговой сваркой с неплавящимся воль­фрамовым электродом в атмосфере инертного газа. При сварке иттрия с другими металлами оптимальные результаты достигаются при приме­нении присадочного материала (например, хрома для улучшения диффу­зии). Металлический иттрий, содержащий 0,1-0,3 % кислорода, отли­чается склонностью к растрескиванию в процессе сварки.

Области применения

В качестве основы сплавов иттрий применяют редко, но широко исполь­зуют для легирования и модифицирования.

В настоящее время наиболее широкие области применения иттрия, его соединений, сплавов и лигатур в промышленности следующие: производство легированной стали; модифицирование чугуна; производст­во сплавов на основе никеля, хрома, молибдена и других металлов - для повышения жаростойкости и жаропрочности; выплавка ванадия, тантала, вольфрама и молибдена и сплавов на их основе - для увеличения плас­тичности; производство медных, титановых, алюминиевых и магниевых сплавов; атомная энергетика; электроника - в качестве катодных ма­териалов (оксиды иттрия), а также для поглощения газов в электрова­куумных приборах; изготонление квантовых генераторов - лазеров; про­изводство тугоплавких и огнеупорных материалов; химия - в качестве катализаторов; производство стекла и керамики. Рафинирование метал­лов и сплавов от примесей (кислород, азот, водород и углерод), вызы­вающих хрупкость сплавов, что особенно важно для тугоплавких хлад­ноломких металлов с объемноцентрированной кубической решеткой, а также примесей, вызывающих хладноломкость (сера, фосфор, мышьяк в стали, хромоникелевых и никелевых сплавах; свинец и висмут в медных сплавах).

Имеются сведения об использовании изотопа 90 Y в медицине.

История иттрия

Иттрий (Yttrium) — это редкоземельный химический элемент, имеющий атомный номер 39, согласно периодической системе элементов. Его принято обозначать Y. Свое название он получил по названию деревни Иттербю в Швеции.

Очень необычна история открытия этого элемента. В 1794 году химик из Финляндии Юхан Гадолин, после проведенного эксперимента над породой иттербит, получил из породы оксид иттрия с примесью других элементов. При этом он ошибочно считал, что получил чистый иттрий и назвал полученный элемент экебертом.

Карл Мосандер спустя 50 лет, в 1843 году, обосновал, что полученный Гадолином экеберт является соединением из окислов эрбия, иттрия , тербия. Металлический иттрий , с незначительным содержанием других лантаноидов, был выделен первый раз только в 1828 году, в виде порошка светло-серого цвета.

Удалось это химику из Фридриху Вёлеру. В Российской литературе по химии, датированной первой половиной 19 века, элемент назывался так: основание иттрийской земли , иттрин (Страхов), иттрий (Гесс).

Месторождения иттрия

В земной коре иттрий содержится в размере 0,0028 весовых процентов и находится в числе тридцати самых распространенных элементов. В морской воде его концентрация составляет 0,0003 мг/л. Он входит в состав многих пород и минералов, больше всего содержится иттрия в фергюсоните, гадолините, цирконе, черчите, ксенотиме.

Мировые запасы сырья, из которого может быть получен иттрий, оцениваются в объеме 544,4 тысячи тонн. В год его добывают около 9 тысяч тонн во всем мире. Основным типом его месторождений являются россыпи. Крупнейшие месторождения иттрия расположены в таких странах, как: Китай, США, Австралия, Индия, Россия.

Свойства и цена иттрия

В чистом виде иттрий представляет собой относительно мягкий металл , который хорошо поддается обработке. Он относительно легко растворяется кислотами при комнатной температуре.

При нагревании до 400 °C на поверхности образовывается плотный слой окисла цвета. Температура плавления иттрия составляет 1530 °C, кипения 3318 °C.

Стоимость одного килограмма иттрия находится в районе 140 долларов. Использование его в промышленности очень обширно и будет расти в ближайшее время. В большинстве сфер потребления ему нет равноценной замены.

Применение иттрия

Металлический иттрий используется как добавка при изготовлении из и металлов, увеличивая их предел прочности, температуру плавления и меняя их магнитные свойства.

Из него изготавливают трубопроводы для транспортировки расплавленного ядерного топлива, потому что он не вступает во взаимодействие с расплавленными и .

Иттрий используется как стабилизатор, электролит и катализатор. Из него изготовляют керамику и высокотемпературные сверхпроводники. Его применяют при производстве драгоценных .

Также широко используются соли иттрия и другие его соединения. Крайне устойчив к нагреву в контакте с жидкой сталью и не имеет равноценных аналогов оксид иттрия.

Его используют для изготовления оптических, инфракрасных лазеров большой мощности, компонентов микроволновых радаров, производства иттриевых ферритов для радиоэлектроники.

Радиоактивный изотоп иттрия применяется для лечения раковых заболеваний, как источник бета-излучения. Нанесение соединений иттрия на компоненты двигателей внутреннего сгорания усиливает их износостойкость в 300 раз. Из оксосульфида иттрия производят красную компоненту люминофора для телевизоров и компьютерных мониторов.

ИТТРИЙ

1. Иттрий металлический

Физические и химические свойства

Иттрий — светло-серый металл. Температура плавления около 1500°С, плотность 4,47 г/см 3 , твердость по Бринеллю 628 МПа, модуль упругости 66 ГПа, модуль сдвига 264 ГПа, коэффициент Пуассона 0,265, коэффициент сжимаемости 26,8.10 -7 см 2 /кг. По своим механическим свойствам он напоминает алюминий. Легко поддается механической обработке.

Иттрий легко растворяется в минеральных кислотах. В кипящей воде он постепенно окисляется, 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.

Хранение

В нормальной атмосфере иттрий весьма устойчив, он лишь слегка тускнеет, но никогда не теряет металлический блеск. Иттрий окисляется при более высокой температуре. С иттриевыми стружками следует обращаться осторожно, так как при нагревании они энергично сгорают. В атмосфере водяного пара при 750°C иттрий покрывается окисной пленкой, предохраняющей металл от дальнейшего окисления.

Производство

Как и многие лантаноиды, иттрий относится к числу довольно распространенных металлов. По данным геохимиков, содержание иттрия в земной коре 0,0028% - это значит, что элемент входит в число 30 наиболее распространенных элементов Земли.

Свыше ста минералов содержат иттрий. Среди них есть собственно иттриевые - ксенотим, фергюсонит, эвксенит, таленит и другие, промышленное значение имеют только ксенотим и эвксенит.

Главнейшие месторождения иттрия расположены в КНР, США, Канаде, Австралии, Индии, Малайзии, Бразилии. Китай является основным мировым поставщиком иттрия. Промышленное месторождение иттрия и иттриевых редких земель (тяжелых лантаноидов) имеется в Киргизии.

Извлечь чистый иттрий из руды чрезвычайно трудно. Мешает сходство с другими редкими землями.

Процесс переработки руд на иттрий и редкоземельные элементы, разработанный Спеллингом и Лоуэллом, заключается в следующем. Исходный ксенотим вскрывают путем обработки серной кислотой при высокой температуре. Полученный после такой обработки раствор подают на колонки с катионообменной смолой. Для их элюирования применяют раствор этилендиаминтетрауксусной кислоты. Иттрий и редкоземельные элементы содержатся в разных фракциях элюата. Их осаждают из этих фракций в виде оксалатов и прокаливают до окисей.

Универсальный способ получения совершенно чистых редко­земельных металлов и иттрия заключается в восстановлении безводных фторидов кальцием. Безводные фториды редкоземельных металлов получают либо фторированием окислов безводным фтористым водородом при 575°С, либо прокаливанием фтори­дов, осажденных из водных растворов плавиковой кислотой, либо же сплавлением окислов редкоземельных металлов с бифторидом аммония.

Безводный фторид смешивают с порошком металлического кальция, Танталовый тигель с загрузкой нагревают в атмосфере аргона, пока не начнется реакция. По завершении реакции и редкоземельный металл, и шлак (фторид кальция) должны на­ходиться в расплавленном состоянии.

Полученный таким способом иттрий кальциетермический по содержанию контролируемых примесей должен удовлетворять требованиям и нормам ТУ 48-4-208-72:

Применение металлического иттрия

Сплавы иттрия

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/мм). 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 1000 °C .

Перспективными областями применения сплавов иттрия являются авиакосмическая промышленность, атомная техника, автомобилестроение. Очень важно, что иттрий и некоторые его сплавы не взаимодействуют с расплавленным ураном и плутонием, и их использование позволяет применить их в ядерном газофазном ракетном двигателе.

Изучается перспективный магнитный сплав - неодим -иттрий-кобальт .

Легирование

Иттрий широко используется в черной и цветной металлургии.

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 громадное экономическое значение.

Введение незначительных количеств иттрия в сталь делает ее структуру мелкозернистой, улучшает механические, электрические и магнитные свойства. При добавлении небольших количеств иттрия (десятые, сотые доли процента) в чугун, твердость его возрастет почти вдвое, а износостойкость - в четыре раза. Такой чугун становится менее хрупким, по прочностным характеристикам он приближается к стали, легче переносит высокие температуры. И особенно важно, что иттриевый чугун можно переплавлять несколько раз, но прочностные характеристики при этом сохраняются.

(Yttrium; от назв. швед, селения Иттербю), Y - хим. элемент III группы периодической системы элементов; ат. н. 39, ат. м. 88,9059; относится к редкоземельным элементам. Металл светло-серого цвета, на воздухе тускнеет. В соединениях проявляет степень окисления + 3. Известны с массовыми числами от 82 до 97. К важнейшим долго-живущим относятся с массовыми числами 91; 90; 88 и 89. Открыт в 1794 финск. химиком И. Гадолином. Металлический И. получил в 1828

И. в земной коре около 2,8 х 10-3%. И. входит в состав лопарита, монацита, иттропаризита, эвксенита, ксе нотима и др. минералов. Полиморфен, т-ра полиморфного превращения 1490-1495° С. Кристаллическая решетка низкотемпературной модификации - гексагональная плотноупа-кованная типа магния, с периодами а = 3,6474 А и с = 5,7306 А, а высокотемпературной - кубическая объемноцентрированная с периодом а = 4,11 А. Плотность 4,472 г/см3; tпл 1526° С; tкип 3340° С; коэфф. термического расширения (т-ра 25- 1000° С) 10,1 х 10-6 град»-1; теплоемкость 6,34 кал/г-атом град; электрическое сопротивление 57 мком см; сечение захвата тепловых нейтронов 1,31 барн; парамагнитен; работа выхода электронов 3,07 эв. Модуль норм, упругости 6600 кгс/мм2; модуль сдвига 2630 кгс/мм2; предел прочности 31,5 кгс/мм2; предел текучести 17,5 кгс/мм2; сжимаемость 26,8 х 10-7 см2/кг; удлинение 35%; HV = 38.

Чистый иттрий легко поддается мех. обработке и деформированию. Его куют и прокатывают до лент толщиной 0,05 мм на холоду с промежуточными отжигами в вакууме при т-ре 900-1000° С. И.- химически активный металл, реагирует со щелочами и к-тами, сильно окисляется при нагревании на воздухе. Работы с И. проводят в защитных камерах и высоком вакууме. И. с металлами Iа, IIа и Va подгрупп, а также с хромом и ураном образует несмешиваю-щиеся двойные системы; с титаном, цирконием, гафнием, молибденом и вольфрамом - двойные системы эвтектического типа; с редкоземельными элементами, скандием и торием - непрерывные ряды твердых растворов и широкие области растворов; с остальными элементами - сложные системы с наличием хим. соединений.

Получают иттрий металлотер-мическим восстановлением, действуя на его фторид кальцием при т-ре выше т-ры плавления металла. Затем металл переплавляют в вакууме и дистиллируют, получая И. чистотой до 99,8-т-99,9%. Чистоту металла повышают двух- и трехкратной дис тилляцией. И. выпускают в виде монокристаллов, слитков различной чистоты и массы, а также в виде сплавов с магнием и алюминием. Чистый И. используют для исследовательских целей. В качестве основы сплавов его применяют редко. Наиболее широко И. используется как легирующая и модифицирующая добавка к сплавам почти на всех основах. И. используют при произ-ве легированной стали (его добавка уменьшает величину зерна, улучшает мех., Электр, и магн. св-ва) и модифицированного чугуна. Он повышает жаростойкость и жаропрочность сплавов на основе никеля, хрома, молибдена и др. металлов; увеличивает пластичность тугоплавких металлов и сплавов на основе ванадия, тантала, вольфрама и молибдена; упрочняет титановые, медные, магниевые и алюминиевые ; увеличивает жаропрочность магниевых и алюминиевых сплавов.

В атомной энергетике иттрий используют как носитель водорода, разбавитель ядерного горючего, как конструкционный материал реакторов. Широкое применение находит И. в электронике и радиотехнике в качестве катодных материалов ( И.), геттеров ( И. с лантаном, алюминием, цирконием), ферритов-гранатов, люминофоров. Из тугоплавких и огнеупорных материалов на основе боридов, сульфидов и окислов И. изготовляют катоды для мощных генераторных установок, тигли для плавки тугоплавких металлов и др.; ортованадат И.- эффективный материал для цветного телевидения. И. и его применяют как катализаторы органических реакций, при произв. нефти См. также Иттрийсодержащие .

Иттрий в природе

Встречается в виде устойчивого изотоп 89 Y (100%) . В литосфере содержится иттрия 5 ⋅ 10 ⁻ ⁴ . Встречаются достаточно богатые этим элементом, например, тортвейтит Y 2 Si 2 O 7 , однако эти настолько рассеяны, что переработка связана с концентрированием (отделением больших количеств пустой породы) , что связано с большими энергозатратами.

Поскольку иттрий имеет отрицательное значение стандартных электронных потенциалов, получают его электролизом расплавленных хлоридов или нитратов, а для понижения температур плавления добавляют соли других металлов.

Помимо электролиза его получают восстанавливая при высоких температурах из их хлоридов или фторидов наиболее активными металлами (калием и кальцием) :

YCl 3 + 3K = Y + 3KCl

Физические и химические свойства

Иттрий — серебристо — белый металл, существующий в двух кристаллических видоизменениях с различными типами и параметрами решеток.

В химических реакциях атом иттрия теряет по три электрона и ведёт себя как сильный восстановитель.

При обычных температурах поверхность его окисляется кислородом с образованием защитных плёнок. Но при нагревании в кислороде горит и образуются оксиды Sc 2 O 3 .

С водой иттрий взаимодействует медленно, образующиеся при этом гидроксиды покрывают его защитной плёнкой:

2Y + 6H 2 O = 2Y(OH) 3 ↓ + 3H 2

2Y + 3H 2 SO 4 = Y 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2

и растворяется в кислотах.

Соединения иттрия

Проявляет степень окисления +3 , их ионы имеют на внешнем уровне по 8 электронов, большой заряд этих ионов Э ⁺ ³ обусловливается склонность иттрия к комплексообразованию.

Его оксиды отвечают формуле Y2O3 , бесцветны, тугоплавки, получаются разложением нитратов:

4Y(NO 3 ) 3 = 2YO 3 + 12NO 2 + 3O 2

Он обладает основным характером, энергично реагировать с водой, образуя гидроксиды:

Y 2 O 3 + 3H 2 O = 2Y(OH) 3

Он мало растворим в воде, но легко растворяется в кислотах, гидроксид иттрия Y(OH) 3 проявляет признаки амфотерности.

Соли иттрия из воды кристаллизуются в виде аквасоединений. , нитраты и ацетаты растворимы в воде и гидролизуются в незначительной степени.

Мало растворимые в воде фториды, и оксалаты иттрия переходят в раствор под действием избытка осадителя с образованием комплексных соединений.

Положительные ионы иттрия имеют координационные числа от 3 до 6 . Важнейшие лиганды в комплексе металла — это фторид — , карбонат — , сульфат — , оксалат- ионы. Ион иттрия Y ⁺ ³ образует с фторид — ионами комплексные соединения:

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.