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39Y




外觀
銀白色
概況
名稱·符號·序數 釔(Yttrium)·Y·39
元素類別 過渡金屬
·週期· 3·5·d
標準原子質量 88.90584(2)
電子排布

[] 4d1 5s2
2, 8, 18, 9, 2

釔的电子層(2, 8, 18, 9, 2)
歷史
發現 約翰·加多林(1794年)
分離 卡爾·古斯塔夫·莫桑德(1840年)
物理性質
物態 固體
密度 (接近室温
4.472 g·cm−3
熔點時液體密度 4.24 g·cm−3
熔點 1799 K,1526 °C,2779 °F
沸點 3203 K,2730 °C,5306 °F
熔化熱 11.42 kJ·mol−1
汽化熱 363 kJ·mol−1
比熱容 26.53 J·mol−1·K−1

蒸汽壓

壓(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫(K) 1883 2075 (2320) (2627) (3036) (3607)
原子性質
氧化態 3, 2, 1(弱鹼性氧化物)
電負性 1.22(鲍林标度)
電離能

第一:600 kJ·mol−1
第二:1180 kJ·mol−1

第三:1980 kJ·mol−1
原子半徑 180 pm
共價半徑 190±7 pm
雜項
晶體結構

六方密堆積

釔具有六方密堆積晶體結構
磁序 順磁性[1]
電阻率 室溫)(α、多晶)596 n Ω·m
熱導率 17.2 W·m−1·K−1
膨脹係數 室溫)(α、多晶)
10.6 µm/(m·K)
聲速(細棒) (20 °C)3300 m·s−1
楊氏模量 63.5 GPa
剪切模量 25.6 GPa
體積模量 41.2 GPa
泊松比 0.243
布氏硬度 589 MPa
CAS號 7440-65-5
最穩定同位素

主条目:釔的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
87Y 人造 3.35天 ε - 87Sr
γ 0.48, 0.38D -
88Y 人造 106.6天 ε - 88Sr
γ 1.83, 0.89 -
89Y 100% 89Y带50个中子稳定
90Y 人造 2.67天 β 2.28 90Zr
γ 2.18 -
91Y 人造 58.5天 β 1.54 91Zr
γ 1.20 -

是一種化學元素,符號為Y原子序為39。它是一種銀白色過渡金屬,化學性質與鑭系元素相近,且常被歸為稀土金屬[2]釔在自然中並不單獨出現,而是和鑭系元素結合出現在稀土礦中。89Y是釔的唯一一種穩定同位素和自然同位素。

1787年,卡爾·阿克塞爾·阿列紐斯(Carl Axel Arrhenius)在瑞典伊特比(Ytterby)附近發現了一種新的礦石,即硅鈹釔礦,並根據發現地村落的名稱將它命名為「Ytterbite」。約翰·加多林(Johan Gadolin)在1789年於阿列紐斯的礦物樣本中,發現了氧化釔[3]安德斯·古斯塔夫·埃克貝格(Anders Gustaf Ekeberg)把這一氧化物命名為「Yttria」。弗里德里希·維勒在1828年首次分離出釔的單質。[4]

釔的最大用途在於磷光體的生產,特別是紅色LED和電視機陰極射線管(CRT)顯示屏的紅色磷光體。[5]釔元素也被用於電極電解質電子濾波器激光器超導體中,也有多項醫學和材料科學上的應用。釔沒有已知的生物用途,人類接觸釔元素可導致肺病[6]

性質[编辑]

釔是一種質軟、帶光澤的銀白色金屬晶體,在元素週期表中屬於3族。根據週期表的趨勢,它的電負性比前面的元素、5族中的下一個元素都要低。由於鑭系收縮現象,釔的電負性和相近。[7][8]釔也是第五週期中的首個d區塊元素。

成塊的純釔在空氣中會在表面形成保護性氧化層(Y2O3),這種鈍化過程使它相對穩定。在水汽中加熱至750 °C時,保護層的厚度可達10微米。[9]不過釔粉末在空氣中很不穩定,任何金屬屑都可以在400 °C以上的溫度在空氣中點燃。[4]釔金屬在氣中加熱至1000 °C後會形成氮化釔(YN)。[9]

與鑭系元素的相似性[编辑]

釔元素的性質和鑭系元素十分相似,所以在歷史上曾一同被歸為稀土元素[2]自然中的釔一定與鑭系元素共同出現在稀土礦中。[10]

在化學屬性上,鑭系元素比釔旁邊的更接近釔。[11]如果以物理屬性對原子序作圖,根據趨勢,釔的原子序像是在64.5和67.5之間,即位於鑭系元素之間。[12]

釔的反應級數也一般在這個區間之內,[9]化學反應活性也與相近。[5]它的大小與屬於「釔族」的重鑭系元素幾乎相同,所以它們的離子在溶液中的屬性十分接近。[9][13]雖然所有鑭系元素在元素週期表中都位於釔以下的一行,但釔在多方面都卻與其極為相似,這是由於鑭系收縮現象。[14]

釔和鑭系元素間最大的差異在於,釔幾乎只會形成三價化合物或離子,但大約半數鑭系元素都可以形成三價以外的價態。[9]

化合物及反應[编辑]

釔可以形成各種無機化合物,氧化態一般為+3,其中釔原子失去其3顆價電子[15]例如白色、固態的氧化釔(III)Y2O3)就是一種六配位的三價釔化合物。[16]

釔可以形成不溶於水的氟化物氫氧化物草酸鹽,以及可溶於水溴化物氯化物碘化物硝酸鹽硫酸鹽[9]Y3+離子在溶液中無色,因為它的d和f電子殼層中缺乏電子。[9]

釔及其化合物會和水產生反應,形成Y2O3[10]硝酸氫氟酸不會對釔產生快速侵蝕,但其他的強酸則可以快速侵蝕釔。[9]

在200 °C以上溫度,釔可以和各種鹵素形成三鹵化物,如三氟化釔YF3)、三氯化釔YCl3)和三溴化釔YBr3)。[6]在高溫下也都可以和釔形成二元化合物[9]

釔的有機化合物中都含有碳﹣釔鍵,其中一些化合物中的釔呈0氧化態。[17][18](科學家在氯化釔熔體中曾觀測到+2態,[19]以及在釔氧原子簇中觀測到+1態。[20])有機釔化合物可以催化某些三聚反應。[18]這些化合物的合成過程都從YCl3開始,而YCl3則是經Y2O3與濃氫氯酸氯化銨進行反應所得。[21][22]

哈普托數指中心原子對於周邊配位體原子的配位數,符號為η。科學家首次在釔配合物中發現碳硼烷配位體能以η7哈普托數與d0金屬中心原子進行配位。[18]石墨層間化合物石墨-Y和石墨-Y2O3在氣化後會產生內嵌富勒烯,例如Y@C82[5]電子自旋共振研究顯示,這種富勒烯是由Y3+和(C82)3−離子對所組成的。[5]Y3C、Y2C和YC2等碳化物在水解後會形成[9]

核合成及同位素[编辑]

太陽系中的釔元素是在恒星核合成過程中產生的,大部份經S-過程(約72%),其餘的經R-過程(約28%)。[23]在R-過程中,輕元素在超新星爆炸中進行快中子捕獲;而在S-過程中,輕元素在紅巨星脈動時,在星體內部進行慢中子捕獲。[24]

太陽系中大部份的釔都是在紅巨星內部形成的,例如圖中的蒭藁增二

在核爆炸和核反應爐中,釔同位素是裂變過程中的一大產物。在核廢料的處理上,最重要的釔同位素為91Y和90Y,半衰期分別為58.51天和64小時。[25]雖然90Y的半衰期短,但它與其母同位素鍶-9090Sr)處於長期平衡狀態(即產生率接近衰變率),實際半衰期為29年。[4]

所有3族元素的原子序都是奇數,所以穩定同位素很少。[7]釔只有一種穩定同位素89Y,這也是它唯一一種自然同位素。在S-過程當中,經其他途徑產生的同位素有足夠時間進行β衰變中子轉換為質子,並釋放電子反微中子)。[24]中子數為50、82和126的原子核原子量分別為90、138和208)特別穩定[注 1],所以這種慢速過程使這些同位素能夠保持其較高的豐度。[4]89Y的質量數和中子數分別靠近90和50,所以其豐度也較高。

釔的人工合成同位素已知至少有32種,原子質量數在76和108之間。[25]其中最不穩定的同位素為106Y,半衰期只有>150納秒76Y的半衰期為>200納秒);最穩定的則為88Y,半衰期為106.626天。[25]91Y、87Y和90Y的半衰期分別為58.51天、79.8小時和64小時,而其餘所有人造同位素的半衰期都在一天以下,大部份甚至不到一小時。[25]

質量數在88或以下的釔同位素的主要衰變途徑是正電子發射(質子→中子),形成(原子序為38)的同位素;[25]質量數在90或以上的則進行電子發射(中子→質子),形成(原子序為40)的同位素。[25]另外質量數在97或以上的同位素亦會進行少量β緩發中子發射[26]

釔的同核異構體至少有20種,質量數在78和102之間。[25][注 2]80Y和97Y的同核異構體超過一個。[25]釔的大部份同核異構體的穩定性都比基態更低,但78mY、84mY、85mY、96mY、98m1Y、100mY和102mY的半衰期都比它們的基態更高。這是因為這些同核異構體都進行β衰變,而不進行同核異構體轉換[26]

歷史[编辑]

1787年,同時為陸軍中尉和兼職化學家的卡爾·阿克塞爾·阿列紐斯(Carl Axel Arrhenius)在瑞典伊特比村(現屬於斯德哥爾摩群島)附近的一處舊採石場發現了一塊黑色大石。[3]他認為這是一種未知礦石,含有當時新發現的元素,[27]並將其命名為「Ytterbite」。[注 3]樣本被送往多個化學家作進一步分析。[3]

氧化釔的發現者約翰·加多林

奧布皇家學院的約翰·加多林(Johan Gadolin)於1789年在阿列紐斯的樣本中發現了一種新的氧化物,並於1794發佈完整的分析結果。[28][注 4]安德斯·古斯塔夫·埃克貝格(Anders Gustaf Ekeberg)在1797年證實了這項發現,並把氧化物命名為「Yttria」。[29]安東萬·拉瓦節提出首個近代化學元素定義之後,人們認為氧化物都能夠還原成元素,所以發現新氧化物就等同於發現新元素。對應於Yttria的元素因此被命名為「Yttrium」。[注 5]

1843年,卡爾·古斯塔夫·莫桑德(Carl Gustaf Mosander)發現,該樣本中其實含有三種氧化物:白色的氧化釔(Yttria)、黃色的氧化鋱(Erbia)以及玫紅色的氧化鉺(Terbia)。[30][注 6]1878年,讓-夏爾·加利薩·德馬里尼亞(Jean Charles Galissard de Marigna)分離出第四種氧化物氧化鐿[31]這四種氧化物所含的新元素都以伊特比命名,除釔以外還有(Ytterbium)、(Terbium)和(Erbium)。[32]在接下來的數十年間,科學家又在加多林的礦石樣本中發現了7種新元素。[3]馬丁·海因里希·克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)後將這種礦物命名為加多林礦(Gadolinite,即矽鈹釔礦),以紀念加多林為發現這些新元素所做出的貢獻。[3]

1828年,弗里德里希·維勒把無水三氯化釔一同加熱,首次產生了釔金屬:[33][34]

YCl3 + 3 K → 3 KCl + Y

釔的化學符號最初是Yt,直到1920年代初才開始轉為Y。[35]

1987年,科學家發現釔鋇銅氧具有高溫超導性質。[36]它是第二種被發現擁有這種性質的物質,[36]而且是第一種能在的沸點以上達到超導現象的物質。[注 7]

存量[编辑]

磷釔礦含有釔,圖為磷釔礦晶體。

豐度[编辑]

釔元素出現在大部份稀土礦[8]和某些礦中,但從不以單質出現。[37]釔在地球地殼中的豐度約為百萬分之31,[5]在所有元素中排第28位,是豐度的400倍。[38]泥土中的釔含量介乎百萬分之10至150間(去水後平均重量佔百萬分之23),在海水中含量為一兆(萬億)分之9。[38]美國阿波羅計劃期間從月球採得的岩石樣本中含有較高的釔含量。[32]

釔元素沒有已知的生物用途,但幾乎所有生物體內都存在少量的釔。進入人體後,釔主要積累在肝、腎、脾、肺和骨骼當中。[39]一個人體內一共只有約0.5毫克的釔,而人乳則含有百萬分之4的釔。[40]在食用植物中,釔的含量在百萬分之20至100之間(鮮重),其中以捲心菜為最高;[40]木本植物種子中的含量為百萬分之700,是植物中已知最高的。[40]

生產[编辑]

釔的化學性質與鑭系元素非常相似,所以經過各種自然過程,這些元素都一同出現在稀土礦中。[41][42]

釔很難從其他稀土元素中分離出來。圖為釔金屬塊。

稀土元素共有四種來源:[43]

  • 含碳酸鹽和氟化物的礦石,如氟碳鈰礦([(Ce, La, …)(CO3)F]),平均釔含量為0.1%。[4][41]1960年代至1990年代間,氟碳鈰礦的主要來源是美國加州山口稀土礦場,因此美國是這段時期稀土元素的最大產國。[41][43]
  • 獨居石(即磷鈰鑭礦,[(Ce, La, …)PO4])是一種漂沙沉積物,為花崗岩移動及重力分離之後的產物。獨居石含2%[41](或3%)[44]的釔。20世紀初的最大礦藏位於印度和巴西,兩國當時是最大產國。[41][43]
  • 磷釔礦是一種含有稀土元素的磷酸鹽礦物,其中包括磷酸釔(YPO4),礦物的釔含量約為60%。[41]最大礦藏是位於中國內蒙古白雲鄂博鐵礦。在1990年代山口稀土礦場關閉之後,中國繼而成為目前稀土元素的最大產國。[41][43]
  • 離子吸附型粘土是花崗岩的風化產物,含1%的稀土元素。[41]處理後的精礦的釔含量可以達到8%。離子吸附型粘土主要在中國南部開採生產。[41][43][45]釔也出現在鈮釔礦褐鈮釔礦中。[38]

從混合氧化物礦中提取純釔的其中一種方法是把樣本溶於硫酸,再以離子交換層析法進行分離。加入草酸後,草酸釔會沉澱出來。草酸釔在氧氣中加熱,會轉化為氧化釔,再與氟化氫反應後變為氟化釔[46]使用季銨鹽作為萃取劑,釔會維持水溶狀態。以硝酸鹽作抗衡離子,可以去除輕鑭系元素;以硫氰酸鹽作抗衡離子,可以去除重鑭系元素。這種過程可以產生純度為99.999%的釔。一般釔佔重鑭系元素混合物的三分之二,所以為了方便分離其他的元素,須先移除釔元素。

全球氧化釔年產量在2001年達到600噸,儲備量估計有9百萬噸。[38]合金可以吧三氟化釔還原成海綿狀釔金屬,如此生產出的釔金屬每年不到10噸。電弧爐所達到的1,600 °C溫度足以熔化釔金屬。[38][46]

應用[编辑]

日用品[编辑]

釔是其中一種用於陰極射線管電視機螢屏中紅色磷光體的元素。

氧化釔Y2O3)可以做Eu3+過程中所用的主體晶格,以及正釩酸釔YVO4:Eu3+或氧硫化釔Y2O2S:Eu3+磷光體的反應劑。這些磷光體在彩色電視機的顯像管中能產生紅光。[4][5]實際上紅光是銪所產生的,釔只是把電子槍的能量傳遞到磷光體上。[47]釔化合物還可以為不同鑭系元素陽離子做摻雜過程的主體晶格,除了Eu3+外,還有能發出綠光的摻Tb3+磷光體。氧化釔可以在多孔氮化矽的生產過程中作燒結添加劑。[48]它還是材料科學中的常用原料,許多釔化合物的合成也需要從氧化釔開始。

釔同位素可以催化乙烯聚合反應[4]一些高性能火花塞的電極以釔金屬作為材料。[49]丙烷燈網罩的生產過程中,釔可以代替具有放射性元素。[50]

釔穩定氧化鋯是一種正在研發當中的材料,可以做固態電解質,以及在汽車排氣系統中用於探測氧含量。[5]

石榴石[编辑]

直徑0.5厘米的Nd:YAG激光晶棒

釔可以用來生產各種合成石榴石[51]釔鐵石榴石Y3Fe5O12,簡稱YIG)是十分有效的微波電子濾波器,生產就需用到氧化釔。[4]釔、石榴石(如Y3(Fe,Al)5O12和Y3(Fe,Ga)5O12)具有重要的磁性質[4]釔鐵石榴石是一種高效聲能發射器和傳感器。[52]釔鋁石榴石Y3Al5O12,簡稱YAG)的莫氏硬度為8.5,能當寶石作首飾之用(人造鑽石)。[4]的釔鋁石榴石(YAG:Ce)晶體可用在白色發光二極體的磷光體中。[53][54][55]

釔鋁石榴石、氧化釔、氟化釔鋰(LiYF4)和正釩酸釔YVO4)可以用在近紅外線激光器中,可用的摻雜劑包括[56][57]釔鋁石榴石激光器能夠在大功率下運作,可應用在金屬鑽孔和切割上。[44]單個釔鋁石榴石晶體一般是經由柴可拉斯基法生產出來的。[58]

材料增強[编辑]

添加少量的釔(0.1%至0.2%)可以降低的晶粒度。[59]它也可以增強合金和合金的材料強度。[4]在合金中加入釔,可以降低加工程序的難度,使材料能抵抗高溫再結晶,並且大大提高對高溫氧化的抵禦能力。[47]

釔還能對以及其他非鐵金屬進行去氧。[4]氧化釔可以穩定立方氧化鋯的結構,使它適合作為首飾。[60]

科學家正在研究釔的球化性質,這可能有助生產球墨鑄鐵。如此生產出來的鑄鐵具有較高的延展性石墨形成小球,而非薄片)。[4]氧化釔熔點高,可抵抗衝擊,且熱膨脹係數也較低,因此能用來製造陶瓷玻璃[4]例如某些照相機鏡頭[38]

醫學[编辑]

釔-90是一種放射性同位素,被用在依多曲肽(Yttrium Y 90-DOTA-tyr3-octreotide)及替伊莫單抗(Yttrium Y 90 ibritumomab tiuxetan)等抗癌藥物中,可治療淋巴癌白血病卵巢癌大腸癌胰腺癌骨癌等等。[40]該藥物會附在單克隆抗體上,與癌症細胞結合後以釔-90的強烈β輻射把細胞殺死。[61]

用釔-90做的針頭可以比解剖刀更加精確,可用於割斷脊髓裡的疼痛神經[27]在治療類風濕性關節炎時,釔-90還能用在發炎關節的滑膜切除術中,特別針對膝蓋部位。[62]

曾有實驗在犬類身上用摻釹的釔鋁石榴石激光來進行前列腺切除術,手術由機械人協助,能夠降低對周邊神經等組織的損傷。[63]摻鉺的釔鋁石榴石則開始被用在磨皮整容手術上。[5]

超導體[编辑]

釔鋇銅氧超導體

1987年,阿拉巴馬大學休斯頓大學研發了釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7,又稱YBCO或1-2-3)超導體[36]它可以在93 K溫度下運作,比液氮的沸點(77.1 K)要高。[36]其他超導體都必須使用價格更高的液氦降溫,所以這項發現能降低成本。

實際超導材料的化學式為YBa2Cu3O7–d,其中d必須低於0.7才會使材料成為超導體。具體原因未知,但目前科學家知道在晶體內只有某些位置會出現空缺,即位於氧化銅平面和鏈上。這造成銅原子擁有奇特的氧化態,這再因某種原因引致了超導性質。

BCS理論在1957年被發佈之後,人們對低溫超導的認知已經非常詳盡了。這種現象與兩顆電子在一個晶格當中的特殊交互作用相關。然而高溫超導卻在這一理論的解釋範圍外,其確切原理仍是未知的。實驗所得出的結果指出,材料中氧化銅份量必須十分準確才能帶出超導性質。[64]

這一物質呈黑綠色,為一多晶、多相態礦物。科學家正在研究一類成份比例不同的物質,稱為鈣鈦礦,並希望能最終研發出一種更為實用的高溫超導體[44]

安全[编辑]

水溶釔化合物具微毒性,但非水溶化合物則不具毒性。[40]動物實驗顯示,釔及其化合物會造成肝和肺的破壞,但不同化合物的毒性程度各異。老鼠在吸入檸檬酸釔後,產生肺水腫呼吸困難,吸入氯化釔後則有肝性水腫、胸腔積液及肺充血等症狀。[6]

釔化合物對人類可引致肺病。[6]釩酸釔銪飄塵會對人的眼部、皮膚和上呼吸道有輕微的刺激,但這可能是飄塵的釩成份所導致的,而不是釔。[6]短期暴露在大量釔化合物中,會引致呼吸急促、咳嗽、胸部疼痛以及發紺[6]美國國家職業安全衛生研究所(NIOSH)所建議的允許暴露限值為1 mg/m3,超過500 mg/m3時屬於「即時對生命或健康造成危險」。[65]雖然成塊的釔金屬在空氣中相對穩定,但釔金屬粉末卻屬於易燃物。[6]

備註[编辑]

  1. ^ 參見:幻數。這些原子核的中子捕獲截面很低,所以穩定性異常高。(Greenwood 1997,pp.12–13)這些同位素不易發生β衰變,所以擁有較高的豐度。
  2. ^ 同核異構體亦稱亞穩態,其能量比處於基態的原子核更高。亞穩態在釋放伽馬射線轉換電子之後,才會回到基態。亞穩態以同位素質量數旁的「m」表示。
  3. ^ 「Ytterbite」取自發現地村名「Ytterby」,而「-bite」則是礦物的通用後綴。
  4. ^ Stwertka 1998, p. 115稱加多林在1789年發現該氧化物,但未指何時發佈。Van der Krogt 2005引用原文獻,并註明1794年加多林著
  5. ^ 氧化物名稱均以「-a」結尾,而新元素名則一般以「-ium」結尾。
  6. ^ 的名稱分別是Terbium和Erbium,但兩者的氧化物卻分別稱為「Erbium」和「Terbium」,拼法相反。
  7. ^ 釔鋇銅氧的超導臨界溫度(Tc)為93 K,而氮的沸點為77 K。

參考資料[编辑]

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外部鏈接[编辑]

  • Yttrium at The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)