Yttrium, Y, Ordnungszahl 39

Allgemeines

Yttrium [ˈʏtriʊm] 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 (Gruppe 3) oder Scandiumgruppe. Yttrium ist nach dem ersten Fundort, der Grube Ytterby bei Stockholm, benannt, wie auch Ytterbium, Terbium und Erbium.
Yttrium (von Ytterby, Grube in der Nähe der schwedischen Hauptstadt Stockholm) 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.
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 mit bis zu 3 % Yttrium sowie Bastnäsit mit 0,2 % Yttrium. 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 Californien, 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 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.

Gewinnung

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.

Besonderheiten

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 < 3 annehmen kann.
Es sind insgesamt 32 Isotope zwischen 76Y und 108Y, sowie weitere 24 Kernisomere bekannt. Von diesen ist nur eines 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 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. Eine Yttrium-Cobalt-Legierung kann als Permanentmagnet 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. Technisch wichtiger sind die oxidischen Yttriumverbindungen:
Yttrium-Nitrat als Beschichtungsmaterial in einem Glühstrumpf
Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) dient als Laserkristall
Yttrium-Eisengranat (YIG) als Mikrowellenfilter
Yttrium stabilisiertes Zirconiumdioxid als Festelektrolyt in Brennstoffzellen (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
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, Leuchtstofflampen und Radarröhren.
Des Weiteren werden Yttrium-Keramiken und -Legierungen eingesetzt in:
Lambda-Sonden
Supraleitern (z. B. Yttrium-Barium-Kupferoxid YBa2Cu3O7–x)
ODS-Legierungen
Zündkerzen
Als reiner Beta-Strahler wird 90Yttrium in der Nuklearmedizin zur Therapie eingesetzt, zum Beispiel zur Radiosynoviorthese.
Yttrium gilt als nicht essentiell und giftig (MAK-Wert = 5 mg/m3).

Allgemein
Name, Symbol

Ordnungszahl

Yttrium, Y, 39
Serie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 3, 5, d
Aussehen silbrig weiß
CAS-Nummer 7440-65-5
Massenanteil an der Erdhülle 26 ppm
Atomar
Atommasse 88,90585 u
Atomradius 180 pm
Kovalenter Radius 190 pm
Elektronenkonf. [Kr] 4d(1) 5s2
1. Ionisierungsenergie 600 KJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1180 KJ/mol
3. Ionisierungsenergie 1980 KJ/mol
Physikalisch
Aggregatszustand fest
Kristallstruktur hexagonal
Dichte 4,472 g/cm3
Magnetismus paramagnetisch (χm = 1,2 * 10(-4))
Schmelzpunkt 1799 K (1526 C)
Siedepunkt 3609 K (3336 C)
Molares Volumen 19,88 * 10(-6)m(3)/mol
Verdampfungswärme 380 KJ/mol
Schmelzwärme 11,4 KJ/mol
Elektrische Leitfähigkeit 1,66*10(6) A/(V*m)
Wärmeleitfähigkeit 17 W/(m*K)
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