Иттрий
Иттрий - 39 элемент таблицы Д.И. Менделеева
Иттрий (Yttrium), Y, химический элемент III группы периодической системы Менделеева; атомный номер 39, атомная масса 88,9059. В природе представлен одним стабильным изотопом 89Y. Иттрий вместе со скандием, лантаном и лантаноидами составляет группу так называемых редкоземельных элементов. Эти элементы очень сходны по химическим свойствам, совместно встречаются в природе, имеют общую историю открытия.
39 элемент таблицы Менделеева Иттрий - лёгкий металл (плотность 4,472 г/см3). Изотоп 89Y имеет малое сечение захвата тепловых нейтронов (1,38×10-28м2, т. е. 1,38 б), благодаря чему И. может применяться в качестве конструкционного материала в ядерной технике. Высокая прочность сравнительно лёгких сплавов Иттрия с алюминием делает их перспективными в самолётостроении. Из окиси Иттрия Y2O3 (очень высокой чистоты) изготовляют иттриевые ферриты, применяемые в радиоэлектронике, в слуховых приборах, в ячейках памяти счётно-решающих устройств и т. д.
39 |
Стронций ← Иттрий → Цирконий |
Sc
↑
Y
↓
Lu |
|
|
Внешний вид простого вещества |
Светло-серебристый редкоземельный металл
|
Свойства атома |
Название, символ, номер |
И́ттрий / Yttrium (Y), 39
|
Атомная масса
(молярная масса) |
88,90585(2) (г/моль)
|
Электронная конфигурация |
[Kr] 4d1 5s2
|
Радиус атома |
178 пм
|
Химические свойства |
Ковалентный радиус |
162 пм
|
Радиус иона |
(+3e) 89,3 пм
|
Электроотрицательность |
1,22 (шкала Полинга)
|
Электродный потенциал |
0
|
Степени окисления |
3
|
Энергия ионизации
(первый электрон) |
615,4 (6,38) кДж/моль (эВ)
|
Термодинамические свойства простого вещества |
Плотность (при н. у.) |
4,47 г/см³
|
Температура плавления |
1795 K
|
Температура кипения |
3 611 K
|
Уд. теплота плавления |
11,5 кДж/моль
|
Уд. теплота испарения |
367 кДж/моль
|
Молярная теплоёмкость |
26,52 Дж/(K·моль)
|
Молярный объём |
19,8 см³/моль
|
Кристаллическая решётка простого вещества |
Структура решётки |
гексагональная
|
Параметры решётки |
a=3,647 c=5,731 Å
|
Отношение c/a |
1,571
|
Температура Дебая |
280 K
|
Прочие характеристики |
Теплопроводность |
(300 K) (17,2) Вт/(м·К)
|
|
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 щелочными породами и связанными с ними постмагматическими продуктами преимущественное развитие получает цериевая подгруппа, а с постмагматическими продуктами гранитоидов с повышенной щёлочностью — иттриевая. Большинство фторкарбонатов обогащено элементами цериевой подгруппы. Многие тантало-ниобаты содержат иттриевую подгруппу, а титанаты и титано-тантало-ниобаты — цериевую. Главнейшие минералы иттрия — ксенотим YPO4, гадолинит Y2FeBe2Si2O10.
Месторождения иттрия
Главные месторождения иттрия расположены в Китае, Австралии, Канаде, США, Индии, Бразилии, Малайзии
Получение иттрия
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.
Химические свойства
На воздухе иттрий покрывается плотной защитной оксидной пленкой. При 370—425 °C образуется плотная черная 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 Y2О3 обладает основными свойствами, ему отвечает основание Y(ОН)3.
Применение 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/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 1000 °C.
Иттриевая керамика
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 двуокиси 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 YBa2Cu3O7-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.
Покрытия иттрием и его соединениями
Напыление (детонационное и плазменное) иттрия на детали двигателей внутреннего сгорания позволяет увеличить износостойкость деталей в 400—500 раз по сравнению с хромированием.
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 черно-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 емкостью и достаточно дешевый.
Цены на иттрий
Иттрий чистотой 99—99,9 % стоит в среднем 115—185 долларов США за 1 кг.
|