Itrijum

Svojstva

Itrij je mekan, srebrno-metalni, sjajan i vrlo kristalan prijelazni metal 3. grupe kemijskih elemenata. Ima manju elektronegativnost nego njegov prethodnik prema tablici elemenata, skandij, te manju elektronegativnost nego sljedeći element 5. periode kemijskih elemenata, cirkonijum; osim toga, po elektonegativnosti je usporediv sa slijedećim u 3. grupi, lutecijumom, zbog kontrakcije lantanoida.^[6][7] Itrij je prvi element d-bloka u petom periodu.

Ovaj čisti element je relativno stabilan u zraku u rasutom stanju, uslijed pasivnosti koja nastaje zbog sloja zaštitnog oksida (Y₂O₃) na njegovoj površini. Ovaj sloj doseže debljinu od 10 µm kada se itrij zagrije na 750 °C u vodenoj pari.^[8] Kada je pak fino podijeljen, itrij je vrlo nestabilan u zraku; dijelići ovog metala mogu se zagrijati u zraku do temperature koja prelazi 400 °C.^[3] Itrijev dušik (YN) se stvara kada se metal zagrije do 1000 °C u dušiku.^[8]

Sličnosti sa lantanoidima

Sličnosti itrija sa lantanoidima su tako snažne da je ovaj element kroz povijest često bio svrstan u skupinu rijetkih zemnih elemenata,^[1] te se u prirodi uvijek nalazi zajedno s njima u rijetkim zemnim mineralima.^[9]

Kemijski, itrij je sličniji tim elementima nego njegov susjed u periodnom sustavu elemenata, skandij,^[10] a ako bi se njegove fizičke osobine stavile u atomski broj onda bi imale broj od 64.5 do 67.5, stavljajući ga između lantanoida gadolinij i erbijum.^[11]

Također često pada u isti raspon reakcijskog reda,^[8] koji je sličan terbiju i disproziju po svojoj kemijskoj reakciji.^[4] Itrij je tako blizu po veličini tzv. 'itrijskoj skupini' teških iona lantanoida da se u otopini ponaša kao da je jedan od njih.^[8][12] Iako su lantanoidi jedan red niže u tablici periodnog sustava nego itrij, sličnosti u atomskom radijusu se mogu pripisati kontrakciji lantanoida.^[13]

Jedan od rijetkih značajnih razlika između kemije itrija i lantanoida je taj da je itrij gotvo isključivo trovalentan, dok oko polovica lantanoida može imati i drugačiju valentnost od tri.^[8]

Spojevi i reakcije

Kao trovalentan prijelazni metal, tvori razne neorganske spojeve, uglavnom u oksidacijskom stanju od +3, predajući svoja sva tri valentna elektrona.^[14] Dobar primjer je Itrijev(III) oksid (Y₂O₃), poznat i kao itrija, šestero-koordinatna bijela krutina.^[15]

Itrij tvori itrijum fluorid koji nije topiv u vodi, hidroksid i oksalat, ali njegov bromid, hlorid, jodid, nitrat i sulfat su topljivi u vodi.^[8] Ion Y³⁺ je bezbojan kada se topi zbog odsutnosti elektrona u elektronskoj ljusci d i f.^[8]

Voda izaziva reakciju sa itrijom i njegovim spojevima kako bi tvorili Y₂O₃.^[9] Koncentrirana azotna i Fluorovodonička kiselina ne napadaju snažno itrij, za razliku od drugih snažnih kiselina.^[8]

Sa halogenima itrij tvori halide kao što su itrijum(III) fluorid (YF₃), itrijum(III) hlorid (YCl₃) i itrijum(III) bromid (YBr₃) pri temperaturama iznad 200 °C.^[5] Isto tako, ugljik, fosfor, selen, silicij i sumpor svi tvore binarne spojeve sa itrijom prilikom povišenih temperatura.^[8]

Organoitrijska kemija proučava spojeve koje sadrže veze ugljika i itrija. Za nekolicinu njih se zna da sadrže itrij pri oksidacijskom stanju 0.^[16][17] (+2 stanje je promatrano u topljivosti klorida,^[18] a +1 u oksidacijskim skupinama u plinovitom stanju^[19]) Neke trimerizacijske reakcije su promatrane upotrebljavajući organoitrijske spojeve kao katalizatore.^[17] Ovi spojevi koriste YCl₃ kao početni materijal, koji se pak dobivaju od Y₂O₃ i koncentrirane klorovodonične kiseline i amonijevog klorida.^[20][21]

Haptičnost je kako se skupina graničnih atoma liganda koordiniraju prema središnjem atomu; na to ukazuje grčka riječ eta, η. Itrijevi spojevi bili su prvi spojevi gdje su karborani ligandi vezani za d⁰-metalni centar uz pomoć η⁷-haptičnosti.^[17] Isparavanje grafitno umetnutog spoja grafita–Y ili grafita–Y₂O₃ vodi do stvaranja endohedralnih fulerena kao što su Y@C₈₂.^[4] Proučavanja elektronske spinske rezonance ukazuju na stvaranje parova Y³⁺ i (C₈₂)³⁻ iona.^[4] Karbidi Y₃C, Y₂C i YC₂ mogu se hidrolizirati kako bi tvorili ugljikovodike.^[8]

Nukleosinteza i izotopi

Itrij je u sunčevom sustavu stvoren zahvaljujući zvjezdane nukleosinteze, većinom putem s-procesa (≈72%), ali također i putem r-procesa (≈28%).^[22] R-proces se sastoji od brzog hvatanja neutrona lakših elemenata tijekom eksplozija supernova. S-proces je sporo hvatanje neutrona lakših elemenata unutar pulsirajućih crvenih divova.^[23]

Izotopi itrija su među najčešćim proizvodima nuklearne fisije uranija koje se odigrava u nuklearnim eksplozijama i nuklearnim reaktorima. Što se tiče upravljanja nuklearnog otpada, najvažniji izotopi itrija su ⁹¹Y i ⁹⁰Y, čije je vreme poluraspada 58,51 dan za prvi i 64 sati za drugi.^[24] Iako ⁹⁰Y ima kratko vrijeme poluraspada, postoji u sekularnoj ravnoteži sa svojim dugoročnim roditeljskim izotopom, stroncij-90 (⁹⁰Sr) čije je vrijeme poluraspada 29 godina.^[3]

Svi elementi 3. grupa imaju neparan atomski broj, te stoga imaju malo stabilnih izotopa.^[6] Skandij ima jedan stabilni izotop, a sam itrij ima samo jedan stabilan izotop, ⁸⁹Y, koji je također njegov jedini prirodni. Ipak, rijetki zemni elementi sadrže elemente parnih atomskih brojeva i puno stabilnih izotopa. Smatra se da je itrij-89 obilniji nego što bi inače bio, dijelom i zbog s-procesa, koji dozvoljava dovoljno vremena za izotope - stvorene od drugih procesa - da se raspadnu putem emisije elektrona (neutron → proton).^{[23][note 1]} Takav polagan proces favorizira izotope sa atomskim masenim brojem (A = protoni + neutroni) od oko 90, 138 i 208, koji imaju neobično stabilne atomske jezge sa 50, 82 i 126 neutrona.^{[23][note 2][3] 89}Y ima maseni broj blizu 90 te ima 50 neutrona u svojoj jezgri.

Najmanje 32 sintetička izotopa itrija su proučavana, a isti imaju raspon atomskog masenog broja od 76 do 108.^[24] Najmanje stabilni od njih je ¹⁰⁶Y sa vremenom poluraspada od >150 ns (⁷⁶Y ima poluraspad od >200 ns) a najstabilniji je ⁸⁸Y sa poluraspadom od 106.626 dana.^[24] Uz izotope ⁹¹Y, ⁸⁷Y i ⁹⁰Y, sa vremenom poluraspada od 58,51 dana, 79.8 sati i 64 sati, a svi ostali izotopi imaju vrijeme poluraspada manje od jednog dana a većina ovih imaju vrijeme poluraspada manje od jednog sata.^[24]

Itrijevi izotopi sa masenim brojem istim ili manjim od 88 se raspadaju većinom od izbacivanja pozitrona (proton → neutron) kako stvorili stroncijeve (Z = 38) izotope.^[24] Itrijevi izotopi sa masenim brojem od 90 ili manje se raspadju većinom od izbacivanja elektrona (neutron → proton) kako bi stvorili cirkonijeve (Z = 40) izotope.^[24] Izotopi sa masenim brojem od 97 ili iznad također imaju manji put raspada od β⁻ kašnjenje izbacivanja neutrona.^[25]

Itrij ima najmanje 20 nuklearnih izomera u rasponu masenog broja od 78 do 102.^[24] Većina pobuđenih stanja su uočena za ⁸⁰Y i ⁹⁷Y.^[24] Dok se za većinu itrijevih izomera očekuje da su manje stabilni nego njegovo osnovno stanje, ^78mY, ^84mY, ^85mY, ^96mY, ^98m1Y, ^100mY i ^102mY imaju duže vrijeme poluraspada nego njihova osnovna stanja, jer se ti izomeri raspadaju beta raspadom, a ne izomernim prijelazom.^[25]

1787., vojni pukovnik i kemičar iz hobija Carl Axel Arrhenius pronašao je težak crni kamen u starom kamenolomu kraj švedskog sela Ytterby.^[2] Pošto je smatrao da se radi o nepoznatom mineralu koji sadrži novo otkriveni element volfram,^[26] nazvao ga je ytterbite^{[note 3]} poslao je uzorke raznim kemičarima radi analize.^[2]

Johan Gadolin sa sveučilišta Åbo je identificirao novi oksid Arrheniusovom uzorku 1789., te je objavio svoju potpunu analizu 1794.^{[27][note 4]} Anders Gustaf Ekeberg potvrdio je ovo otkriće 1797. te je nazvao novi oksid yttria.^[28] Antoine Lavoisier je kasnije razvio prvu modernu definiciju kemijskih elemenata, te mu dao naziv yttrium [itrij].

1843., Carl Gustaf Mosander je otkrio da uzorci yttria sadrže tri oksida: bijeli itrijev oksid (yttria), žuti terbijum(III,IV) oksid i ružićasti Erbijum(III) oksid (tada zvan terbija).^[29] Četvrti oksid, iterbijum(III) oksid, izolirao je 1878. Jean Charles Galissard de Marignac.^[30] Novi elementi će kasnije biti izolirani od svakog od ovih oksida, a svaki element će dobiti naziv po Ytterbyu, selu u čijoj su blizini nađeni u kamenolomu (vidi iterbijum, terbijum i erbijum).^[31] Narednih desetljeća, nekoliko novih metala je otkriveno u "Gadolinovom itriju".^[2] Pošto je itrija ipak bio mineral a ne oksid, Martin Heinrich Klaproth ga je preimenovao u gadolinit u čast gospodinu Gadolinu.^[2]

Itrijev metal prvi je izolirao Friedrich Wöhler 1828. kada je zagrijao itrijum(III) hlorid sa kalijom:^[32][33]

YCl₃ + 3 K → 3 KCl + Y

Do ranih 1920-ih, kemijski simbol Yt se koristio za taj element, nakon čega je dobio pojednostavljenu oznaku Y.^[34]

1987., otkrilo se da itrijum barij bakar oksid postiže visokotemperaturnu supraprovodnost.^[35] Bio je to tek drugi poznati materijal koji je pokazivao to svojstvo,^[35] te je bio prvi poznati materijal koji je ostvario supraprovodnost iznad (ekonomsko značajne) točke vrenja dušika.^{[note 5]}

Učestalost

Itrij se nalazi u većini rijetkih zemnih minerala,^[7] kao i u nekoliko ruda uranija, ali ga nikada ne nalazimo i prirodi kao slobodan element.^[36] Oko 31 ppm zemljine kore je itrij,^[4] čime je 28. najučestaliji element tamo, te je 400 puta učestaliji od srebra.^[37] Itrij se nalazi u tlu u koncentracijama između 10 i 150 ppm dok se u morskoj vodi nalazi u koncentraciji od oko 9 ppt.^[37] Uzorci stijena sa mjeseca tijekom programa Apollo otkrili su relativno visoku koncentraciju itrija.^[31]

Itrij nema nijednu poznatu biološku ulogu, iako se nalazi u većini organizama, ponajviše u jetri, bubregu, slezeni, plućima i kostima ljudi.^[38] U normalnim okolnostima, nalazimo ga u količini od 0,5 miligrama unutar cijelog ljudskog tijela; ljudsko mlijeko za dojenje sadrži 4 ppm.^[39] Itrij se nalazi u jestivim biljkama u koncetracijama između 20 ppm i 100 ppm, a najviše ga ima kupus.^[39]

Proizvodnja

Kemijska sličnost itrija sa lantanoidima dovodi do toga da ga obogaćuju i isti procesi te završava u rudama koja sadrže lantanoide. Malena razlika otkriva se između svjetla (LREE) i teških rijetkih zemnih elemenata (HREE) ali to odvajanje nikada nije potpuno. Itrij je koncentiran u skupinu HREE zbog svoje ionske veličine iako ima manju atomsku masu.^[40][41]

Postoje četiri glavna izvora za rijetke zemne elemente:^[42]

• karbonit i fluorid koji sadrže rude kao što su LREE bastnäsit ([(Ce, La, etc.)(CO₃)F]) sadrže prosječno 0,1%^[3][40] itrija u usporedbi sa 99,9% ostalih rijetkih zemnih elemenata.^[40] Glavni izvor za bastnäsit od 1960-ih do 1990-ih bio je rudnik u Mountain Passu u Kaliforniji, što je tada činilo SAD najvećim proizvođačem rijetkih zemnih elemenata.^[40][42]
• Monazit ([(Ce, La, itd.)PO₄]), koji je uglavnom fosfat, je naslaga pijeska koji se stvara tijekom prijevozom i gravitacijskim razdvajanjem erodiranog granita. Monazit kso ruda rijetkog zemnog materijala sadrži 2%^[40] (ili 3%)^[43] itrija. Najveća nalazišta su bila u Indiji i Brazilu u 20. stoljeću, zbog čega su te dvije zemlje bile najveći proizvođači itrija tijekom ranog 20. stoljeća.^[40][42]
• Ksenotim je fosfat rijetkog zemnog elementa. Njegove rude sadrže 60% itrija i itrijevog fosfata (YPO₄).^[40] Najveći rudnik ovog minerala bilo je nalazište Bayan Obo u Kini, čime je Kina največi proizvođač rijetkih zemnih materijala od zatvaranja rudnika u Mountain Passu početkom 1990-ih.^[40][42]
• glina koja apsorbira iona, tzv. Loognanova glina, je proizvod granita i sadrži 1% rijetkih zemnih elemenata^[40] Njene rude mogu sadržavati i do 8% itrija. Takva glina se većinom iskopava u Kini.^[40][42][44] Itrij se nalazi i u samarskitu i fergusonitu.^[37]

Jedna metoda dobivanja čistog itrija iz miješanih ruda oksida je otopiti oksid u sumpornoj kiselini i razdijeliti ga po hromatografiji ionske izmjene. Sa dodatkom oksalne kiseline, itrijev oksalat se taloži. Oksalat se pretvara u oksid zagrijavanjem pod kisikom. Reakcijom dobivenog itrijevog oksida sa fluorovodonikom, dobiva se itrijum(III) fluorid.^[45]

Godišnja svjetska proizvodnja itrijeva oksida dosegnula je 600 tona do 2001., a zalihe se procjenjuju na 9 milijuna tona.^[37] Samo par tona itrijeva metala se proizvode svake godine smanjivanjem itrijuma(III) fluorida do metalne spužve sa legurom kalcija magnezija. Temperatura u peći iznad 1.600 °C je dovoljna da potom otopi itrij.^[37][45]

Potrošači

Itrijum(III) oksid (Y₂O₃) može poslužiti kao rešetka za dodavanje primjesa sa Eu³⁺ kationima, a može poslužiti i kao reagens da bi se dobila primjesa itrijum ortovanadat YVO₄:Eu³⁺ itrijum oksid sulfid Y₂O₂S:Eu³⁺ Svjetleći materijali koji daju crvenu boju lampama televizorima u boji,^{[3][4][note 6]} iako se sama crvena boja zapravo emitira iz europijuma dok itrij skuplja energiju elektronskog topa te ga predaje svjetlećem materijalu.^[46] Spojevi itrija mogu poslužiti i kao nositelj rešetke za dodavanje primjesa sa različitim kationima lantandoia. Izuzev Eu³⁺, i Tb³⁺ se može koristiti kao agens za dodavanje primjesa koji dovode do zelene luminiscencije. Itrij se koristi i kao aditiv sinteriranju prilikom proizvodnje poroznog silicijuma nitrida^[47] i kao učestali početni materijal za znanost o materijalima kao i za proizvodnju ostalih spojeva itrija.

Spojevi itrija se koriste i kao katalizatori polimerizacije etena.^[3] Kao metal, koristi se na elektrodama nekih svjećica za visoku učinkovitost.^[48] itrij se također koristi i za proizvodnju Auerove mrežice za svjetiljke propana kao zamjenu za torijum, koji je radioaktivan.^[49]

Cirkonijum koji je stabiliziran itrijom se koristi kao solidan elektrolit i kao senzor kisika kod automobilskog ispušnog sustava.^[4]

Granati

Itrij se koristi za proizvodnju sintetičkih granata,^[50] dok se itrija koristi za stvaranje itrijum željeznih granata (Y₃Fe₅O₁₂ ili YIG), koji su vrlo učinkoviti filteri mikro valova.^[3] Granati od itrija, željeza, aluminija i gadolinijuma (npr. Y₃(Fe,Al)₅O₁₂ i Y₃(Fe,Ga)₅O₁₂) imaju važna magnetska svojstva.^[3] YIG je isto tako vrlo učinkovit zvučni energetski predajnik i pretvornik.^[51] Itrij aluminijum granat (Y₃Al₅O₁₂ ili YAG) ima Mosovu skalu od 8,5 te se koristi kao dragulj u draguljarnicama (umjetni dijamanti).^[3] Kristali itrija alumijuma granata sa dodanom primjesom cerijuma (YAG:Ce) se koriste kao svjetleći materijali kako bi se tvorili bijelu svjetleću diodu.^[52][53][54]

YAG, itrija, itrijum litijum fluorid (LiYF₄) i itrijum ortovanadat (YVO₄) se koriste u kombinaciji sa primjesama kao što su neodijum, erbijum, iterbijum i blizu infracrvenim laserima.^[55][56] Nd:YAG laseri imaju sposobnost djelovati prilikom jake snage te se koriste za bušenje i rezanje metala.^[43] Pojedini kristali YAG-a sa primjesama se obično proizvode Czochralskijevom metodom.^[57]

Pojačavač materijala

Manje količine itrija (0,1 do 0,2%) su se koristile kako bi smanjile veličina zrna hroma, molibdena, titanijuma i cirkonijuma.^[58] Također se koristio za povećanje čvrstoće legura aluminija i magnezija.^[3] Dodatak itrija legurama uglavnom povećava njegovovu obradivost, pojačava otpornost rekristalizacije visokih temperatura te značajno pojačava otpornost oksido-redukcije na visokim temperaturama.^[46]

Itrij se koristi i kao deoksidator vanadijuma i drugih neobojanih metala.^[3] Itrija se koristi radi stabilizacije kubnog oblika cirkonija radi upotrebe u draguljarnicama.^[59]

Itrij je proučavan i za moguću upotrebu u stvaranju žilavog lijeva, koji ima pojačanu duktilnost (grafit tvori kompaktne čvoriće umjesto pahuljica kako bi stvorio žilavi lijev).^[3] Itrijum oksid se može koristiti i prilikom kermaičnih i staklenih formula, jer ima visoko talište i pruža otpor udaru i daje niska svojstva termičke dilatacije.^[3] Stoga se koristi u objektivima.^[37]

Medicina

Radiokativni izotop itrij-90 se koristi za lijekove, kao što su edotreotid i ibritumomab radi tretmana raka, uključujući limfoma, leukemije, te raka jajnika, crijeva, gušterače i kostiju.^[39] Funkcionira tako da se veže za monoklonalna antitijela, koja se pak zauzvrat vežu za stanice raka te ih ubijaju putem intenzivnog β-zračenja od itrija-90.^[60]

Igle napravljene od itrija-90, koje mogu rezati preciznije od skalpela, su se koristile za rezanje živaca koji prenose bol u kičmenoj moždini,^[26] a itrij-90 se također koristi za radionuklidnu sinovektomiju prilikom liječenja upaljenih zglobova, osobito koljena, kod osoba koje pate od reumatoidnog artritisa.^[61]

Laser granata itrijuma-aluminija sa primjesama neodimijuma se koristio u eksperimentalnoj prostatektomiji u pasa u pokušaju da se smanji kolateralna šteta živaca i tkiva,^[62] dok se oni sa primjesama erbijuma počinju koristiti u kozmetici.^[4]

Supravodiči

Itrij se koristi kod supravodiča od itrijum barijum bakar oksida (YBa₂Cu₃O₇, znanom kao 'YBCO' ili '1-2-3') koji su razvila sveučilišta Alabame i Houston 1987.^[35] Ovaj supravodič radi na 93 K, što je značajno jer je iznad točke vrenja tekućeg dušika (77,1 K).^[35] Pošto je cijena tekućeg dušika niža od tekućeg helija, koji se primjenjuje na metalne supravodiče, troškovi operiranja bi se smanjili.

Sam supraprovodni materijal se često piše kao YBa₂Cu₃O_7–d, gdje d mora biti manje od 0,7 kako bi materijal bio supraprovodan.

Teorija o supraprovodnosti pri niskim temperaturama se dobro razumije od kada je BCS teorija predstavljena 1957. Temelji se na naročitosti međudjelovanja dvaju elektrona u kristalnoj rešetci. Ipak, BCS teorija ne objašnjava supraprovodnost pri visokim temperaturama, a njen točan mehanizam i dalje nepoznanica u modernom svijetu. Ono što se zna je da spoj materijala bakra oksida mora biti precizno kontroliran da bi se supraprovodnost dogodila.^[63]

Dobiveni materijal bio je crno-zelen, višekristalni mineral. Istraživači proučavaju skupinu materijala poznatih kao perovskiti koji su alternativne mješavine ovih elemenata, u nadi da će s vremenom razviti praktični supravodič na visoku temperaturu.^[43]

Spojevi itrija topljivi u vodi se smatraju blago otrovnima, dok njegovi spojevi netopljivi u vodi nisu otrovni.^[39] U pokusima sa životinjama, itrij i njegovi spojevi su uzrokovali oštećenja pluća i jetre, iako razina toksičnosti varira ovisno o svakom itrijevom spoju. Kod štakora, udisanje itrijevog citrata uzrokovao je edem pluća i dispneju, dok je udisanje itrijum hlorida uzrokovao edem jetra, pleuralni izljev i plućnu hipermiju.^[5]

Izlaganje spojevima itrija izaziva plućne bolesti kod ljudi.^[5] Radnici koji su bili izloženi zračnom prašinom itrijeva spoja europium vanadate doživjeli su blagu iritaciju oka, kože i gorenjeg respiratornog sustava — iako je možda krivac takvoj reakciji možda i vanadij a ne itrij.^[5] Kronično izlaganje spojevima itrija mogu uzrokovati manjak daha, kašljanje, bol u prsima i cijanozu.^[5] Nacionalni institut za radnu sigurnost i zdravlje (NIOSH) preporuča dozvoljeno izlaganje od 1 mg/m³ te kritičnu opasnost po život od 500 mg/m³.^[64] Itrijeva prašina je također zapaljiva.^[5]

Itrijum na Wikimedijinoj ostavi

• Itrij na The Periodic Table of Videos (sveučilište Nottingham)
• Itrij na Proleksis enciklopediji