钇(Yttrium)是一种银白色金属,化学符号Y,它是第一个被发现的稀土金属元素,有
延展性。钇在自然中并不以电离态存在,而是和镧系元素共同伴生于稀土矿物中,是重稀土元素中地壳丰度最高的元素。
理化性质
钇是一种质软、带光泽的银白色金属,在元素周期表中属于3族,是第五周期的首个d区元素。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。在水蒸气中加热至750℃时,保护层的厚度可达10微米。不过钇粉末在空气中很不稳定,其金属屑在400 ℃以上的空气中即可燃烧。钇金属在氮气中加热至1000 ℃后会形成氮化钇(YN)。
钇可以形成不溶于水的氟化物、氢氧化物和草酸盐,以及可溶于水的溴化物、氯化物、碘化物、硝酸盐和硫酸盐。浓硝酸和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。
在200℃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(YBr3)。碳、磷、硒、硅和硫在高温下也都可以和钇形成二元化合物。
发现历史
1787年,卡尔·阿克塞尔·阿列纽斯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。安德斯·古斯塔夫·埃克贝格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。
分布
钇在地球地壳中的丰度约为百万分之31,在所有元素中排第28位,是银丰度的400倍。它是稀土元素中含量最丰富的元素之一,主要存在于
硅铍钇矿、黑稀土矿和磷钇矿中,也存在于独居石和氟碳废矿中,但从不以单质出现。钇还存在于核裂变产物中,自然界中存在的钇全部为
稳定同位素钇89。主要分布在中国、美国、澳大利亚、印度、马来西亚和巴西等国家,其中40%以上集中分布在中国。
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。钇主要积累在肝、肾、脾、肺和骨骼当中。人体内约有0.5毫克的钇,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,木本植物种子中的含量为百万分之700,是植物中已知含量最高的。
用途
工业
钇在工业中用途很广,它可用作钇磷光体使电视屏幕产生红色彩,还用于某些射线的滤波器、超导体和超合金及特种玻璃。钇耐高温和耐腐蚀,可作核燃料的包壳材料。钇与多种氨羧配合剂能生成稳定的螯合物;含钕的钇铝石榴石是优良的激光材料,钇铁石榴石是优良的激光材料,钇铁石榴石和钇铝石榴石是新型磁性材料。
添加少量的钇(0.1%至0.2%)可以降低铬、钼、钛和锆的晶粒度,提升其在强度、塑性、韧性等方面的综合力学性能。在合金中加入钇,也可以增强铝合金和镁合金的材料强度,使材料能抵抗高温再结晶,降低加工程序的难度,并且大大提高对高温氧化的抵御能力。
医学
钇-90是一种放射性同位素,被用在依多曲肽及替伊莫单抗等抗癌药物中,可治疗淋巴癌、白血病、卵巢癌、大肠癌、胰腺癌和骨癌等等。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,一般被认定为成功的治疗,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。
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。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。
超导体
1987年,阿拉巴马大学和休斯顿大学研发了钇钡铜氧(YBa2Cu3O7,又称YBCO或1-2-3)超导体。它可以在93 K温度下运作,比液氮的沸点(77.1 K)要高。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。
中国二代钇系高温超导电缆项目已经在天津开始建设,新型硅酸钇鲁晶体的研制已经获得成功;掺钕氧化镧钇激光透明陶瓷研究取得重大突破。
同位素
在自然界中只有Y-89一种同位素,其它25种已知的同位素都是人造的。人造同位素中比较稳定的有Y-88(半衰期106.65日)、Y-91(半衰期58.51日)和Y-87(半衰期79.8小时),其它同位素的半衰期都小于一日。Y-89以下的同位素的衰变模式主要是电子捕获,Y-89以上的同位素的主要衰变模式是β衰变。
生理毒性
水溶钇化合物具微毒性,但非水溶化合物则不具毒性。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,产生肺水肿和呼吸困难,吸入氯化钇后则有肝性水肿、胸腔积液及肺充血等症状。
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。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。
相关化合物
氧化钇
【英文名称】yttrium oxide;yttria
【密度】5.01g/cm3
【熔点】2410℃
【性状】白色略带黄色粉末
【用途】
氧化钇可制特种玻璃及陶瓷,并用作催化剂。主要用作制造微波用磁性材料和军工用重要材料(
单晶;钇铁柘榴石、钇铝柘榴石等
复合氧化物),也用作
光学玻璃、陶瓷材料添加剂、
大屏幕电视用高亮度荧光粉和其他显像管涂料。还用于制造薄膜
电容器和特种
耐火材料,以及高压
水银灯、激光、储存元件等的
磁泡材料。
【制备或来源】分解
褐钇铌矿所得的
混合稀土溶液经
萃取、酸溶、再萃取、直接浓缩、灼烧而得。
【接触限值】
美国TWA:1mg/m3
英国TWA:1mg/m3
英国STEL:3mg/m3
德国MAK:5mg/m3
【侵入途径】吸入,食入,皮肤及眼睛接触
【健康危害】刺激眼睛;动物试验证明可损害肝、肺功能
【接触处理】
皮肤接触:用肥皂水冲洗
眼睛接触:用水冲洗
食入:给饮大量水,催吐(昏迷患者除外)
眼睛防护:戴防化镜和面罩
防护服:穿戴清洁完好的防护用具
其他:配备应急眼药水;定期对眼、肺进行检查
钇萤石
概述
化学组成:(Y,Ce)CaF2O,其成分中的
Ca(钙)部分被
稀土金属(元素)Y钇置换
鉴定特征:可以从它的立方
晶形,八面
解理,
玻璃光泽和多彩多姿的颜色中,予以鉴定。它的硬度比长石低,但比方解石高,可以用小刀刮损,遇盐酸不起氟泡。在
火焰试验中,可以产生钙的红色火焰。在闭管中加入二硫酸钾(Potassium Disulphate)热之,可产生氟酸,将试管壁腐蚀;同时在试管壁较上方的冷处,产生一种白色的
氧化硅沉淀。
成因产状:主要形成于
热液作用。有时可聚集成为独立
萤石脉出现,五色透明的萤石产于花岗伟晶石和萤石脉的晶洞里。
著名产地:世界重要的产地有美国
伊利诺斯州、澳大利亚
昆士兰州(Chillagoe)、英国的Cumberland,Derbyshire、德国的Saxony、
瑞士、
挪威、墨西哥、加拿大、俄罗斯和意大利和中国浙江武义,义乌,金华一带地区等。
名称来源:Yttro指钇元素;fluorite源于拉丁文“fluere”,意为“流动”,是由于萤石和其他与其相似的矿物更容易熔化;这是因为它可以作为助熔剂,使很多高熔点的
金属矿物易于熔化之故。
晶体结构:
硬度:4
比重:3.18g/cm^3
颜色:无色或白色
透明度:透明至半透明
光泽:半玻璃光泽
其他:性脆,显荧光性,色散低,对红外线,紫外线透射能力强。
用途:钇萤石单晶体具有与萤石一样的优异光学特性,其各种物理性能均比萤石有所提高。例如,钇萤石的折光率、硬度比萤石稍高,机械强度也较萤石更大,热膨胀系数和在水中溶解度又较萤石更小,易于合成大而均匀的晶体,作为掺钕的激光材料在室温下便能发出激光,因此钇萤石在光学材料领域颇有前景。
钇铝石榴石
钇铝石榴石(Y3Al5O12,yttriumaluminum garnet,YAG)是一种在光学、力学、热学、机械性能等方面表现均较为优良的基质材料。YAG晶体对可见光及红外光均有较高的透过性,其主要是作为激光增益介质应用于固体激光器领域,同时在照明发光、透明窗口和导弹穹顶等领域也有广泛的发展前景。