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Yttrium

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Pulver
02 – Leicht-/Hochentzündlich
Gefahr
H- und P-Sätze H: Entzündbarer Feststoff.
P:
  • Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen und anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen.
  • Explosionsgeschützte [elektrische … / Lüftungs-… / Beleuchtungs-… / …] Geräte verwenden. (Die vom Gesetzgeber offen gelassene Einfügung ist vom Inverkehrbringer zu ergänzen)
  • Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/ Augenschutz/ Gesichtsschutz/ Gehörschutz/… tragen.
  • Bei Brand: … zum Löschen … verwenden. (Die vom Gesetzgeber offen gelassenen Einfügungen sind vom Inverkehrbringer zu ergänzen)

Yttrium [ˈʏtri̯ʊm] ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Y und der Ordnungszahl 39. Es zählt zu den Übergangsmetallen sowie den Seltenerdmetallen, im Periodensystem steht es in der 5. Periode sowie der 3. Nebengruppe, bzw. der 3. IUPAC-Gruppe oder Scandiumgruppe. Yttrium ist nach dem ersten Fundort, der Grube Ytterby bei Stockholm, benannt, wie auch Ytterbium, Terbium und Erbium.

Geschichte

Yttrium wurde 1794 von Johan Gadolin im Mineral Ytterbit entdeckt. 1824 stellte Friedrich Wöhler verunreinigtes Yttrium durch Reduktion von Yttriumchlorid mit Kalium her. Erst 1842 gelang Carl Gustav Mosander die Trennung des Yttriums von den Begleitelementen Erbium und Terbium.

Vorkommen

Yttrium kommt in der Natur nicht im elementaren Zustand vor. Yttriumhaltige Minerale (Yttererden) sind immer verschwistert mit anderen Seltenerdmetallen. Auch in Uranerzen kann es enthalten sein. Kommerziell abbauwürdig sind Monazitsande, die bis zu 3 % Yttrium enthalten, sowie Bastnäsit, der 0,2 % Yttrium enthält. Weiterhin ist es der Hauptbestandteil des Xenotim (Y[PO4]).

Große Monazitvorkommen, die Anfang des 19. Jahrhunderts in Brasilien und Indien entdeckt und ausgebeutet wurden, machten diese beiden Länder zu den Hauptproduzenten von Yttriumerzen. Erst die Eröffnung der Mountain Pass Mine in Kalifornien, die bis in die 1990er Jahre große Mengen an Bastnäsit förderte, machte die USA zum Hauptproduzenten von Yttrium, obwohl der dort abgebaute Bastnäsit nur wenig Yttrium enthält. Seit der Schließung dieser Mine ist VR China mit 60 % der größte Produzent für Seltene Erden. Diese werden in einer Mine nahe Bayan Kuang, deren Erz Xenotim enthält, und aus ionenabsorbierenden Tonmineralen, die vor allem im Süden Chinas abgebaut werden, gewonnen.


Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Yttrium, Y, 39
Elementkategorie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 3, 5, d
Aussehen silbrig weiß
CAS-Nummer 7440-65-5
Massenanteil an der Erdhülle 26 ppm
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur hexagonal
Dichte 4,472 g/cm3
Magnetismus paramagnetisch (Χm = 1,2 · 10−4)
Schmelzpunkt 1799 K (1526 °C)
Siedepunkt 3203 K (2930 °C)
Molares Volumen 19,88 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungswärme 390 kJ/mol
Schmelzwärme 11,4 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 3300 m/s bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit 1,66 · 106 A·V−1·m−1
Wärmeleitfähigkeit 17 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände +3
Oxide (Basizität) Y2O3 (schwach basisch)
Normalpotential −2,37 V (Y3+ + 3 e− → Y)
Elektronegativität 1,22 (Pauling-Skala)

Gewinnung und Darstellung

Die Trennung der Seltenen Erden voneinander ist ein aufwändiger Schritt in der Produktion von Yttrium. Fraktionierte Kristallisation von Salzlösungen war zu Anfang die bevorzugte Methode, diese wurde schon früh für die Trennung der seltenen Erden im Labormaßstab verwendet. Erst die Einführung der Ionenchromatographie machte es möglich, die seltenen Erden im industriellen Maßstab zu trennen.

Das aufkonzentrierte Yttriumoxid wird umgesetzt zum Fluorid. Die anschließende Reduktion zum Metall erfolgt mit Calcium im Vakuuminduktionsofen.

Der USGS schätzte die Jahresproduktion für 2014 auf 7.000 t Yttriumoxid (Y2O3) und den Verbrauch auf 6.000 t. Die Produktion erfolgte fast ausschließlich in China. Der Preis für Yttriumoxid mit einer Reinheit von 99,999 % stieg von 25–27 US-Dollar je kg im Jahre 2010 auf 136–141 USD im Jahr 2011 und fiel bis 2013 wieder auf 23–27 USD. Im August 2015 lag der Preis bei ca. 5,5 USD je kg.

Eigenschaften

Yttrium, im Hochvakuum sublimiert, hochrein

Yttrium ist an der Luft relativ beständig, dunkelt aber unter Licht. Bei Temperaturen oberhalb von 400 °C können sich frische Schnittstellen entzünden. Fein verteiltes Yttrium ist relativ unbeständig. Yttrium hat einen niedrigen Einfangquerschnitt für Neutronen.

In seinen Verbindungen ist es meist dreiwertig. Es gibt jedoch auch Clusterverbindungen, in denen Yttrium Oxidationsstufen unter 3 annehmen kann. Yttrium zählt zu den Leichtmetallen.

Isotope

Es sind insgesamt 32 Isotope zwischen 76Y und 108Y, sowie weitere 24 Kernisomere bekannt. Von diesen ist nur 89Y, aus dem auch natürliches Yttrium ausschließlich besteht, stabil. Es handelt sich damit bei Yttrium um eines von 22 Reinelementen. Die stabilsten Radioisotope sind 88Y mit einer Halbwertszeit von 106,65 Tagen und 91Y mit einer Halbwertszeit von 58,51 Tagen. Alle anderen Isotope haben eine Halbwertszeit unter einem Tag, mit Ausnahme von 87Y, welches eine Halbwertszeit von 79,8 Stunden hat, und 90Y mit 64 Stunden. Yttrium-Isotope gehören zu den häufigsten Produkten der Spaltung des Urans in Kernreaktoren und bei nuklearen Explosionen.

Verwendung

Metallisches Yttrium wird in der Reaktortechnik für Rohre verwendet. Die Legierung mit Cobalt YCo5 kann als Seltenerdmagnet genutzt werden. Yttrium findet als Material für Heizdrähte in Ionenquellen von Massenspektrometern Verwendung. In der Metallurgie werden geringe Yttriumzusätze zur Kornfeinung eingesetzt, zum Beispiel in Eisen-Chrom-Aluminium-Heizleiterlegierungen, Chrom-, Molybdän-, Titan- und Zirconiumlegierungen. In Aluminium- und Magnesiumlegierungen wirkt es festigkeitssteigernd. Dotierung von Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator mit Yttrium steigert Leistung und Haltbarkeit

Technisch wichtiger sind die oxidischen Yttriumverbindungen:

Die wichtigste Verwendung der Yttriumoxide und Yttriumoxidsulfide sind jedoch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in mit dreiwertigem Europium (rot) und Thulium (blau) dotierten Luminophoren (Leuchtstoffen) in Fernsehbildröhren und Leuchtstofflampen.

Des Weiteren werden Yttrium-Keramiken und -Legierungen eingesetzt in:

Als reiner Beta-Strahler wird 90Y in der Nuklearmedizin zur Therapie eingesetzt, zum Beispiel zur Radiosynoviorthese, der Radionuklidtherapie von Knochenmetastasen, der Radioimmuntherapie und beim Kolorektalen Karzinom.

Biologie

Yttrium gilt als nicht essentiell und giftig. In der GESTIS-Datenbank ist kein MAK-Wert oder Arbeitsplatzgrenzwert für Yttrium festgelegt. Die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) empfiehlt einen MAK-Wert von 1 mg/m3 bei einer Expositionsdauer von 8 Stunden.

Verbindungen

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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 22.11. 2023