Y

Yttrium


Yttrium is een zilverachtig metaal uit de reeks van de zeldzame aarden (samen met scandium en de lanthaniden). Het is één van de vier elementen die vernoemd zijn naar het Zweedse plaatsje Ytterby (naast ytterbium, erbium en terbium). Het is te vinden in mineralen die daar in de buurt worden aangetroffen. Yttrium is ook één van de vier elementen in het eerste keramische materiaal dat bij relatief hoge temperaturen supergeleidend wordt, zodat koeling met vloeibaar stikstof (in plaats van vloeibaar helium) voldoende is om de elektrische weerstand te minimaliseren.
Symbool Y Protonen/elektronen 39
Groep 3 Isotopen 89Y
Periode Elektronenconfiguratie [Kr] 5s2 4d1
Blok d Elektronegativiteit 1,1 (Pauling)
Bij kamertemperatuur vast Atoomstraal 180 10-12m
Dichtheid 4500 kg m-3 Relatieve atoommassa 88.905
Smeltpunt 1526 oC
(1799 K)
Soortelijke warmte J kg-1K-1
Kookpunt 3336 oC
(3609 K)
Warmtegeleidingscoëfficiënt W m-1K-1

Turbinemotor

Legeringen van aluminium met magnesium en yttrium hebben een hoge mechanische weerstand. Ze worden gebruikt bij onderdelen van turbinemotoren van vliegtuigen. Keramische coatings met yttrium en zirkonium vergroten de temperatuurbestendigheid.

Laser

YAG-lasers zijn een bekend type vastestoflasers. Ze bevatten Yttrium-Aluminium-Granaat, dat zijn kristallen Y3Al5­O12. Deze zijn voorzien van kleine hoeveelheden (doteringen) van een andere zeldzame aarde. Neodymium is het meest gebruikt. De Nd:YAG laser (foto) geeft infrarood licht (golflengte 1,064 mm) en kan een hoge sterkte bereiken. De toepassingen zijn enorm gevarieerd: van het graveren, snijden en lassen van materialen tot aan onderzoek naar kernfusie.

 

Radar/ microgolf (filter)

In radarapparatuur worden YIG (Yttrium-Iron-Garnet; Y3Fe5O12) - kristallen gebruikt als microgolffilter. Dit keramische materiaal heeft bijzonder goede, blijvende magnetische eigenschappen. Het wordt eveneens toegepast in (tv-)zenders voor satellieten en is uitermate geschikt voor het overbrengen van akoestische energie. 

Cameralens

Yttriumoxide (Y2O3) verhoogt de brekingsindex van glas en vermindert de aberratie (vervaging). Dit glas is zeer geschikt voor lenzen van camera's en andere optische apparatuur.

Supergeleider

In 1986 ontdekten Georg Bednorz en Karl Müller in het laboratorium van IBM in Zürich dat bepaalde keramische materialen bij relatief hoge temperaturen supergeleiding vertoonden. De bekendste is yttrium-barium-koper-oxide, kortweg YBCO, met de chemische formule YBa2Cu3O7-x. De 'oude' metallische supergeleidende materialen moesten met vloeibaar helium afgekoeld worden tot vlak bij het absolute nulpunt (273 graden Celsius onder nul) voordat zij supergeleidend werden. Bij de nieuwe keramische materialen is afkoeling met vloeibaar stikstof (196 graden onder nul) voldoende. Bednorz en Müller kregen al in 1987 de Nobelprijs voor de Natuurkunde toegekend.

 

Vuurvaste steen

Yttriumoxide (Y2O3) is zeer hittebestendig en stabiliseert de structuur van keramische materialen in combinatie met met andere oxides (bv. aluminium- en silicium­oxide).

Hersenonderzoek

Voor hersenonderzoek is apparatuur ontwikkeld waarin extreem gevoelige magnetometers de magnetische velden registeren die gepaard gaan met de microstroompjes in de hersenen. Deze magnetometers bevatten een zeer dunne laag yttrium op een keramisch substraat van strontiumtitanaat.

Bestraling

Het radioactieve isotoop yttrium-90 wordt gebruikt in kankertherapie met monoklonale antilichamen. De antilichamen binden aan kankercellen die vervolgens bestraald worden met de betastraling van het yttriumisotoop.

Meer toepassingen


Als element en in legeringen

  • metallurgie (toevoeging aan diverse metalen om de hardheid te verhogen)
  • permanente magneten (YCo5, Y2Co17)
  • elektrodemateriaal van bougies

In verbindingen

  • imitatiediamant                                                                                Y3Al5O12
  • imitatie-edelsteen                                                                            Y2O3
  • keramisch materiaal, o.a. voor laboratoriumkroezen                       Y2O3
  • magneten, o.a. voor computergeheugens                                       Y3Fe5O12, Y3Al5O12
  • verbeteren van de eigenschappen van keramiek                            Y2O3

Naam

De naam yttrium is, evenals ytterbium, terbium en erbium, afkomstig van de plaats waar het mineraal, waarin dit element voor het eerst werd aange­toond, is gevonden: Ytterby in Zweden.

 

Ontdekking

De Zweedse chemicus Carl Axel Arrhenius ontdekte in 1787 een nieuw mineraal in een wingebied voor veldspaat bij Ytterby (in de buurt van Stockholm). Het werd ytteriet genoemd, maar kreeg later de naam gadoliniet.

In 1794 ontdekte de Finse chemicus Johan Gadolin een nieuw oxide in ytteriet, een vinding die drie jaar later werd bevestigd door de Zweed Anders Gustaf Ekeberg. Het oxide kreeg de naam yttria. Het werd destijds beschouwd als het oxide van één enkel element: yttrium (Y), maar in later jaren werd duidelijk dat er meer oxiden aanwezig waren. Zo vond de Zweed Carl Gustaf Mosander in 1843 ook de oxiden van erbium en terbium. Hij was de eerste die yttriumoxide in tamelijk zuivere toestand ïsoleerde.

In 1824 wist de Duitse chemicus Friedrich Wöhler (foto) als eerste (onzuiver) metallisch yttrium te bereiden, door reductie van het chloride met kalium.

 

Toelichting: Zeldzame aardmetalen

Yttrium behoort tot de zeldzame aardmetalen. De groep omvat de elementen scandium (21) en yttrium (39) en de elementen 57 tot en met 71. Die laatste reeks is ook bekend als de lanthaniden (naar het eerste element uit de reeks: lanthaan).

Zeldzaam wil niet zeggen dat de betreffende elementen weinig op aarde voorkomen. Het gaat hier om een groep elementen die allemaal ontdekt zijn via de isolatie van hun oxide. De term 'zeldzaam' vindt zijn oorsprong in het feit dat deze oxiden (aarden) bijzonder moeilijk te herkennen en scheiden zijn. Het duurde meer dan een eeuw voordat ze allemaal ontdekt waren. In dezelfde periode werd bijna honderd keer de ontdekking van andere nieuwe elementen geclaimd.

Na verloop van tijd kwam de term 'zeldzaam' ook in zwang als aanduiding van de elementen zelf. Ze werden vaak pas vele jaren na hun ontdekking in zuivere vorm geïsoleerd.

De nieuwe oxiden vinden hun oorsprong voor het grootste deel in twee mineralen: gadoliniet en ceriet. Daaruit werden respectievelijk de oxidenmengsels yttria en ceria ontsloten.

Het relatief 'zware' mineraal gadoliniet was in 1787 door de Zweedse chemicus Carl Axel Arrhenius ontdekt in een wingebied voor veldspaat bij Ytterby (in de buurt van Stockholm). Het heette eerst ytteriet, vandaar dat het verwerkingsproduct in 1794 yttria werd genoemd. Men beschouwde Yttria aanvankelijk als het oxide van één enkel element; het latere yttrium (Y). Uiteindelijk bleek het een mengsel van zowel yttriumoxide als de oxiden van de zwaardere lanthaniden: gadolinium, terbium, erbium, dysprosium, holmium, thulium, ytterbium en lutetium.

Ceria werd in 1803 voor het eerst bereid uit ceriet, dat in 1751 was gevonden door de Zweedse chemicus/mineraloog Axel Fredrik Cronstedt. Het leverde de oxiden op van lanthaan en de lichtere lanthaniden: cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium.

Tot het einde van de 19e eeuw waren er geen toepassingen voor (verbindingen van) de zeldzame aarden. De Oostenrijkse wetenschapper Carl Auer Freiherr von Welsbach bracht daar verandering in. Hij gebruikte thorium en cesium ter verhoging van de lichtopbrengst van een gasvlam. De gaspitten werden daartoe in een mengsel van thorium- en ceriumnitraat gedompeld. Bij de verbranding ontstaan dan de oxiden. Ceriumoxide katalyseert de verbranding en door de zeer slechte geleidbaarheid van het thoriumoxide werden de deeltjes zeer heet en geven ze een helder licht.

Met de vinding van Von Welsbach kwam zowel het grootschaliger speuren naar de zeldzame aarden als het zoeken naar toepassingen in een stroomversnelling. Inmiddels zijn meer dan 100 mineralen bekend met zeldzame aardmetalen. Deze metalen kennen specialistische toepassingen in allerlei hoogtechnologische (elektronische) apparatuur. China is verreweg de belangrijkste producent van deze elementen.

Voorkomen

Yttrium is nummer 29 op de lijst van meest voorkomende elementen in de aardkorst. Het gewichtsaandeel is 3,3.10-3%.

Ook maansteen bevat relatief veel yttrium.

 

Op aarde komt yttrium voor in een groot aantal mineralen, waaronder

  • allaniet-Y                                (Y,Ce,­Ca)2(Al,Fe+33(Si­O4)3OH
  • bastnaesiet-Y                         (Y,La)CO­3F
  • betafiet (foto)                         (Ca,Na,U)2(Ti,Nb,Ta)2O6OH 
  • euxe­niet-Y                              (Y,Ca,Ce,U,­Th)­(Nb,Ti,Ta)2O6
  • ferguso­niet-Y                         YNbO4
  • gadoliniet-Y                            Y,Fe2+Be2Si­2O10
  • samars­kiet                              (Y,Ce,U,Fe+3)3(Nb,Ta,Ti)5O16           
  • xenotiem-Y of yttri­um­spaat     YPO4

Winning

De belangrijkste wingebieden liggen in Austra­lië, China, Mongolië, India, Brazi­lië, de Verenigde Staten van Amerika, Malei­sië, Rusland, Tanzania, Burundi, Zambia, Madagaskar, Noorwegen, Zweden, Canada, Japan, Duitsland, Oostenrijk en Zuid-Afrika. 

Vroeger

Zeldzame aarden werden oorspronkelijk gescheiden op grond van de uiterst kleine verschillen in oplosbaarheid van de metaalhydroxiden en -oxiden in loog. Ook bleek het mogelijk te scheiden op basis van de oplosbaarheid van hun zouten, voornamelijk de oxalaten en sulfaten (met name Ln2(SO4)3.Na2SO4.xH2O, met Ln als symbool voor de lantaniden). De oplosbaarheid neemt licht toe naarmate de atoommassa van het lanthanide toeneemt.

De verschillen zijn echter zo klein dat voor een redelijke scheiding vele malen herkristalliseren nodig is. Duizend maal is daarbij geen uitzondering. Om een geringe hoeveelheid zuiver thuliumbromaat te verkrijgen werd zelfs tot vijftienduizend keer geherkristalliseerd.

 

Tegenwoordig

Na 1950 maakten moderne scheidingsmethoden het makkelijker de zouten van de zeldzame aarden in redelijke hoeveelheden te scheiden. Continue vloeistofextractie bijvoorbeeld, waarbij de waterige oplossing van de zouten wordt geëxtraheerd met tri-n-butylfosfaat. Een andere methode is ionenwisseling, die zouten met een hoge zuiverheid oplevert en doorgaans op wat kleinere schaal wordt toegepast

De nieuwe scheidingstechnieken dienden in de eerste plaats voor de productie van goede splijtstof voor kernreactoren. Daarbij is het van belang uraan- en thoriumertsen te ontdoen van alle sterk neutronenremmende elementen, zoals de lanthaniden. Dit stimuleerde vervolgens ook het zoeken naar toepassingen en daarmee kwam ook een bredere zoektocht naar zeldzame aarden op gang.

Winning uit erts

Het mineraal monaziet bevat (naast 5 - 10 % thoriumoxide, ThO2) enkele procenten van de oxiden uit de zogenaamde yttria-groep (zie tabblad Naam&Ontdekking); andere lanthaniden komen in veel mindere mate voor. Bastnaesiet en allaniet bevatten enkele procenten van - voornamelijk - de oxiden van cerium, lanthaan, neodymium en praseodymium.

Om de zeldzame aarden te verkrijgen behandelt men het erts, bijvoorbeeld monaziet, met geconcentreerd zwavelzuur bij 200 °C. Daarbij ontstaat een oplossing van de sulfaten van lanthaan, thorium en de aanwezige lanthaniden. Na toevoegen van ammonia slaat eerst het thoriumzout neer. Na toevoegen van natriumsulfaat slaan vervolgens de zouten van de lichtere lanthaniden neer. Na scheiding van de diverse zouten volgt zuivering.

De bereiding van de elementen in zuivere vorm verloopt meestal via elektrolyse van gesmolten zouten. Een andere mogelijkheid is de reductie van oxiden met lanthaan of calcium, of van fluoriden en chloriden met calcium, kalium of natrium. Daarbij wordt het zout gesmolten in een tantalen kroes, gevolgd door reductie (in vacuüm of in een argonatmosfeer) met bijvoorbeeld calciumdamp.

Yttrium wordt bereid door reductie van het fluoride of oxide met calcium en door elektrolyse van het gesmolten chloride.

Deel dit op: