Ütrium

Allikas: Vikipeedia
normal
Ütrium. Hõbevalge metall.

Ütrium on keemiline element sümboliga Y ja aatomi numbriga 39. Ütrium on hõbeda-metallilise läikega siirdemetall, keemiliselt sarnane lantanoididega ja teda liigitatakse sageli kui "haruldane muldmetall"[1] Looduses pole kunagi leitud ütriumit puhta elemendina, alati on see seotud lantanoididega. Selle ainus stabiilne isotoop, 89Y, on ka ainuke looduslikult esinevaid isotoope.

Aastal 1787 leidis Carl Axel Arrhenius Ytterby lähedalt Rootsist uue mineraali ja nimetas selle küla järgi ytterbite. Johan Gadolin avastas Arrheniuse proovist 1789.[2] aastal ütrium oksiidi, ja Anders Gustaf Ekeberg nimetas selle "yttria". Ütrium kui element eraldati esimest korda aastal 1828 Friedrich Wöhleri[3] poolt.

Ütriumit kasutatakse eelkõige fosfooride valmistamiseks, näiteks punaseid fosfoore kasutatakse telerite kineskoopides (CRT), kuvarites ja Led-ekraanides[4]. Muud kasutusviisid hõlmavad elektroodide, elektrolüütide, elektrooniliste filtrite, laserite ja ülijuhtide tootmist. Samuti ka mitmesugustes meditsiinilstes rakendustes ja erinevate materjalide tootmisel, et parandada nende omadusi. Ütriumi bioloogiline roll pole teada. Kokkupuuted ütriumi ühenditega võivad põhjustada inimestel kopsuhaigusi[5].


Omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tunnused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ütrium on pehme, hõbedaselt metallik, läikiv ja väga kristalliline siirdemetall 3. rühmas. Nagu võib järeldada perioodiliste suundumuste kaudu on ütrium vähem elektronegatiivne, kui temale eelnev metall skandium ja elektronegatiivsem, kui temale järgnev metall lantaan. Ütrium on esimene d-rühma element viiendas perioodis.

Puhas element on õhus suhteliselt stabiilne pakitud kujul, sest pinnale tekib kaitsev oksiidi (Y2O3) kiht. See kiht võib olla kuni 10 µm paksune, kui ütriumi kuumutatakse temperatuuril 750°C veeauru keskkonnas[6]. Kuid peenestatud ütrium on siiski õhus väga ebastabiilne; laastud või keerdkäigud metallis võivad süttida õhus temperatuuril üle 400 °C. Ütrium nitriid (YN) on moodustunud, kui metalli kuumutatakse temperatuuril 1000 °C lämmastiku keskkonnas.

Sarnasus lantanoididele[muuda | redigeeri lähteteksti]

Sarnasus ütriumi ja lantanoidide vahel on nii suur, et element on läbi aegade liigitatud koos nendega haruldaste muldmetallidega samasse gruppi ja looduses leidub ütrium alati koos lantanoididega muldmetallide mineraalides[7].

Keemiliselt meenutab ütrium neid elemente paremini, kui skandium[8] , tema naaber perioodilisus tabelis. Kui füüsikalised omadused panna sõltuma aatomi numbrist, siis oleks see number 64,5–67,5 asetades ütriumi lantanoidide gadoliiniumi ja erbiumi[9] vahele. Ütrium on suuruselt väga lähedal nn ütriumi gruppi kuulavate raskete lantanoidide ioonidele lahuses, seetõttu käitub nii, nagu oleks üks neist. Kuigi lantanoidid asuvad perioodilisus tabelis üks rida allpool, kui ütrium, võib sarnasus aatomi raadiuse vahel olla tingitud lantanoidide kokkutõmbumisest[10].

Üks vähestest olulistest erinevustest ütriumi ja lantnoidide vahel on see, et ütrium on peaaegu eranditult kolmevalentne, kuid ligikaudu poolel lantanoididest võib olla muu valentsolek, kui kolm.

Ühendid ja reaktsioonid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kui kolmevalentne siirdemetall, moodustab ütrium erinevaid anorgaanilisi ühendeid, tavaliselt oksüdeernud olekusse +3, loovutades kõik oma kolm valentselektroni[11]. Hea näide on ütrium (III) oksiid (Y2O3), tuntud ka kui ütriumoksiid.

Ütrium moodutab vees lahustumatuid fluoriide, hüdroksiide ja oksalaate, kuid selle bromiid, kloriid, jodiid, lämmastik ja sulfaat on kõik vees lahustuvad. Y3+ ioon on lahuses värvitu, sest d ja f orbitaalidel[12] puuduvad elektronid.

Vesi reageerib kergesti ütriumi ja selle ühenditega, moodustades Y2O3. Kontsentreeritud lämmastikhape ja vesinikfluoriidhape reageerivad ütriumiga aeglaselt, kuid ülejäänud tugevad happed suhteliselt kiiresti.

Halogeniididega moodustab ütrium trihalogeniide nagu ütrium(III)fluoriid (YF3), ütrium(III)kloriid (YCl3) ja ütrium(III)bromiid (YBr3) temperatuuril natukene üle 200 °C. Sarnaselt moodustavad erinevaid binaarseid ühendeid kõrematel temperatuuridel ütriumiga ka süsinik, fosfor, seleen, räni ja väävel.

Organoütrium keemia uurib ühendeid, mis sisaldavad süsinik-ütrium sidemeid. Mõnedes neist on teadaolevalt ütrium oksüdeerunud olekusse 0[13][14] ( +2 olekut on täheldatud kloriidide sulamites[15] ja +1 olekut oksiidi klastrites gaasifaasis)[16].

Tuumasünteesid ja isotoobid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Päikesesüsteemi loodi ütrium läbi tähe tuumasünteesi, peamiselt s-protsess (72%), aga ka r-protsess[17](28%). R-protsess koosneb kiirest neutronite püüdmisest kergematelt elementidelt supernoova plahvatse ajal. S-protsess on aeglane neutronite püüdmine kergematelt elementidelt pulseerivate punaste hiigtähtede seest.

Grainy irregular shaped yellow spot with red rim on a black background
Mira näide punasest hiigeltähest, kus enamus päikesesüsteemis olevast ütriumist on tehtud.

Ütriumi isotoobid on kõige levinumad saadused uraaniumi tuuma lõhustumisel, mis esinevad tuumaplahvatustes ja tuumareaktorites. Seoses tuumajäätmete käitlemisega on kõige olulisemad ütriumi isotoobid 91Y ja 90Y, mille poolestumisajad on vastavalt 58,51 päeva ja 64 tundi. Kuigi 90Y-l on lühike poolestumisaeg, eksisteerib ta tänu tema vanem-isotoobile, strontsium–90 (90Sr), mille poolestumisaeg on 29[18] aastat.

Kõikidel grupi elementidel on veider aatomnumber ja seetõttu on neil vähe stabiilseid isotoope. Skandiumil on üks stabiilne isotoop ja samuti ka ütriumil 89Y, mis on ka ainuke looduslikult esinev isotoop.

Täheldatud on vähemalt 32 ütriumi sünteetilist isotoopi, aatommassi vahemikus 76–108[19]. Kõige vähem stabiilne on 106Y, mille poolestusaeg on >150 ns (76Y poolestusaeg on >200 ns) ja kõige stabiilsem on 88Y poolestusajaga 106,626 päeva. Peale isotoopide 91Y, 87Y ja 90Y, vastavalt poolestusaegadega 58,51 päeva, 79,8 tundi ja 64 tundi, on ülejäänud isotoopide poolestusaeg vähem kui üks päev.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Rootsi armee leitnant, keemik ja kirglik kollektsionäärmineroloog Karl Arrhenius otsustas veeta 1787. aasta juulikuu väikeses külas Ytterbys Stockholmi lähedal. Vana mahajäetud karjäär Ytterby ümbruses oli Arrheniuse mineraloogiliste peamiseks uurimiste kohaks. Puhkus ei möödunud kasutult. Vanast karjäärist leidis Karl Arrhenius seniajani tundmatu uue mineraali. See oli raske must kivi, mis väliselt meenutas kivisütt.

Leitnant Arrhenius vaatles rõõmuga päikesekiirtes tuhmilt helkivat musta kivi. Sel ajal ta ei osanud oletadagi, et tema käes on mineraal, mis on keemias kõige huvitavamate haruldaste muldmetallide ajaloo aluseks.

 Black and white bust painting of a young man with neckerchief in a coat. The hair is only faintly painted and looks grey.
Johan Gadolin avastas ütriumoksiidi.

Tundes suurt tõõmu, sattus Arrhenius uuele mineraalile nime otsides segadusse. Lõpuks nimetas ta mineraali küla järgi üterbiidiks. Üterbiit oli tähtsal kohal Karl Arrheniuse kollektsioonis. Seitse aastat hiljem sattus üterbiidi proov tuntud soome keemiku Johann Gadolini kätte. Uurinud hoolikalt saadud mineraali, avastas Gadolin uue, tundmatu elemendi oksiidi. See oksiid meenutas teatud omaduste poolest kaltsiumoksiidi ning oli sarnane ka alumiiniumoksiidiga.

Kolm aastat pärast Gadolini analüüse kinnitas Uppsala ülikooli keemiaprofessor A. Ekeberg üterbiidi teistkordselt analüüsil Gadolini arvamust. Ekebergi ettepanekul nimetati tundmatu elemendi oksiid ütriumimullaks, mineraal aga Gadolini auks, kes esimesena üterbiiti hoolikalt analüüsis, gadoliniidiks.

1825. aastal õnnestus Friedrich Wöhleril ütriumimulla töötlemisel klooriga ja uue elemendi üleviimisel klooriühendiks metallilise naatriumi abil eraldada ütriumkloriidist uus metall. Kuuludes keerukate ja maakoores hajutatud mineraalide koostisse, polnud ütriumi kättesaamine lihtne.

Teda on erakordselt raske mineraalidest eraldada tänu väga sarnaste keemilistele omadustele teiste elementidega. Kuna ütrium ei leidnud tehnikas praktilist kasutamist ja tema järele polnud väga suurt nõudmist, pidurdas see ütriumi tootmist mineraalidest.

Esinemine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ütrium. Ütriumit on raske eraldada teistest haruldastest muldmetallidest.

Ütriumit leidub enamikus haruldaste muldmetallide mineraalides, samuti ka mõnedes uraanimaakides, kuid kunagi ei ole leitud seda looduses, kui vaba elementi[20]. Umbes 31ppm maakoorest on ütrium, millega on ta rohkuselt 28 element, 400 korda tavalisem kui hõbe. Mullas on ütriumit leitud konsentratsioonides 10–150 ppm ja merevees 9 ppt[21].

Ütriumi bioloogiline roll pole täpselt veel teada, kuigi seda on leitud enamikest, kui mitte kõigist, organismidest, kus kipub koonduma maksa, neerudesse, põrna, kopsudesse ja inimeste luudesse[22]. Terve inimese keha peale on leitud ligikaudu 0,5 milligrammi; inimese rinnapiim sisaldab 4ppm[23]. Ütriumit võib leida ka söödavate taimede koostisest, mille konsentratsioon jääb 20–100 ppm vahele.

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ülijuhid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Dark grey pills on a watchglass. One cubic piece of the same material on top of the pills.
YBCO Ülijuht

Ütriumit kasutati ütrium baariumi vaskoksiidi (YBa2Cu3O7, teise nimega "YBCO" või "1–2–3") ülijuhi arendamisel Houstoni ja Alabama Ülkoolides aastal 1987[24]. Selline ülijuht töötab 93K juures,mis on väga tähelepanuväärne, sest see on suurem vedela lämmastiku keemistemperatuurist (77,1K). Kuna vedela lämmastiku hind on madalam, kui vedela heeliumi oma, mida tavaliselt kasutatakse matellilistes ülijuhtides, siis tegevuskulud väheneksid oluliselt.

Tegelik ülijuhtiv materjal on sageli kirjutatud YBa2Cu3O7-d, kus d peab olema väiksem kui 0,7, et materjal oleks ülijuht. Selle põhjus ei ole veel selge, kuid on teada, et vabanemised toimuvad ainult kristallis teatud kohtades.

Ettevaatusabinõud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vees lahustuvaid ütriumi ühendeid peetakse kergelt mürgisteks, samas selle lahustumatud ühendid on mittetoksilised. Loomade peal tehtud katsed on näidanud, et ütrium ja selle ühendid põhjutavad kopsu ja maksa kahjustusi, kuigi toksilisus varieerub sõltuvalt ühendist. Ütriumtsitraadi sissehingamine põhjustas rottidel kopsuturseid ja hingeldamist, kuid ütriumkloriid põhjustas hoopis maksa turse.

Ägedad kokkupuuted ütriumi ühenditega võivad põhjustada õhupuudust, köha, valu rinnus ja tsüanoosi. Ütriumitolm on tuleohtlik.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  2. a b c d e Van der Krogt 2005
  3. a b c d e f g h i j k l m n CRC contributors (2007–2008). "Yttrium". In Lide, David R.. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 4. New York: CRC Press. p. 41. ISBN 978-0-8493-0488-0.
  4. a b c d e f g h Cotton, Simon A. (2006-03-15). "Scandium, Yttrium & the Lanthanides: Inorganic & Coordination Chemistry". Encyclopedia of Inorganic Chemistry. doi:10.1002/0470862106.ia211. ISBN 0470860782.
  5. a b c d e f g OSHA contributors (2007-01-11). "Occupational Safety and Health Guideline for Yttrium and Compounds". United States Occupational Safety and Health Administration. Retrieved 2008-08-03. (public domain text)
  6. a b c d e f g h i j Daane 1968, p. 817
  7. a b Emsley 2001, p. 498
  8. Daane 1968, p. 810
  9. Daane 1968, p. 815
  10. Greenwood 1997, p. 1234
  11. Greenwood 1997, p. 948
  12. a b c d e f g h i j Daane 1968, p. 817
  13. Cloke, F. Geoffrey N. (1993). "Zero Oxidation State Compounds of Scandium, Yttrium, and the Lanthanides". Chem. Soc. Rev. 22: 17–24. doi:10.1039/CS9932200017.
  14. a b c Schumann, Herbert; Fedushkin, Igor L. (2006). "Scandium, Yttrium & The Lanthanides: Organometallic Chemistry". Encyclopedia of Inorganic Chemistry. doi:10.1002/0470862106.ia212. ISBN 0470860782.
  15. Nikolai B., Mikheev; Auerman, L N; Rumer, Igor A; Kamenskaya, Alla N; Kazakevich, M Z (1992). "The anomalous stabilisation of the oxidation state 2+ of lanthanides and actinides". Russian Chemical Reviews 61 (10): 990–998. Bibcode 1992RuCRv..61..990M. doi:10.1070/RC1992v061n10ABEH001011.
  16. Kang, Weekyung; E. R. Bernstein (2005). "Formation of Yttrium Oxide Clusters Using Pulsed Laser Vaporization". Bull. Korean Chem. Soc. 26 (2): 345–348. doi:10.5012/bkcs.2005.26.2.345.
  17. Pack, Andreas; Sara S. Russell, J. Michael G. Shelley and Mark van Zuilen (2007). "Geo- and cosmochemistry of the twin elements yttrium and holmium". Geochimica et Cosmochimica Acta 71 (18): 4592–4608. Bibcode 2007GeCoA..71.4592P. doi:10.1016/j.gca.2007.07.010.
  18. a b c d e f g h i j k l m n CRC contributors (2007–2008). "Yttrium". In Lide, David R.. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 4. New York: CRC Press. p. 41. ISBN 978-0-8493-0488-0.
  19. a b c d e f g h NNDC contributors (2008). "Chart of Nuclides". In Alejandro A. Sonzogni (Database Manager).
  20. Lenntech contributors. "yttrium". Lenntech. Retrieved 2008-08-26.
  21. a b c d e f Emsley 2001, p. 497
  22. MacDonald, N. S.; Nusbaum, R. E. and Alexander, G. V. (1952). "The Skeletal Deposition of Yttrium" (PDF). Journal of Biological Chemistry 195 (2): 837–841. PMID 14946195.
  23. a b c d e Emsley 2001, p. 495
  24. a b c d e Emsley 2001, p. 495
Keemiliste elementide perioodilisussüsteem
Metallid Poolmetallid Väärisgaasid Mittemetallid Leelismetallid Leelismuldmetallid Lantanoidid Aktinoidid

Berüllium - Magneesium - Alumiinium - Skandium - Titaan - Vanaadium - Kroom - Mangaan - Raud - Koobalt - Nikkel - Vask - Tsink - Gallium - Ütrium - Tsirkoonium - Nioobium - Molübdeen - Tehneetsium - Ruteenium - Roodium - Pallaadium - Hõbe - Kaadmium - Indium - Tina - Hafnium - Tantaal - Volfram - Reenium - Osmium - Iriidium - Plaatina - Kuld - Elavhõbe - Tallium - Plii - Vismut - Poloonium - Rutherfordium - Dubnium - Seaborgium - Bohrium - Hassium - Meitneerium - Darmstadtium - Röntgeenium - Koperniitsium - Ununtrium - Fleroovium - Ununpentium