Itrijum

Itrijum ili itrij (Y, latinski ytrium) je metal IIIB i atomskog broja 39. To je srebrno-metalan prelazni metal kemijski sličan lantanoidima te je često klasificiran kao "rijetki zemni metal". Itrij se gotovo uvijek nalazi u spoju sa lantanoidima u rijetkim zemnim mineralima te se nikada ne nalazi u prirodi kao slobodan element. Njegov jedini stabilni izotop, 89Y, je također njegov jedini prirodni popratni izotop.

Godine 1787. Carl Axel Arrhenius pronašao je novi mineral kraj Ytterbya u Švedskoj te ga nazvao ytterbite, prema nazivu sela. Johan Gadolin otkrio je itrijev oksid u uzorku Arrheniusa 1789., a Anders Gustaf Ekeberg je nazvao novi oksid yttria. Elementarni itrij je prvi izolirao Friedrich Wöhler 1828.

Najvažnija upotreba itrija je u stvaranju svjetlećeg materijala, poput crvenih koje se koriste u televizijskim aparatima u displejima katodnih monitora (CRT) i u svjetlećim diodima. Također se koristi i za proizvodnju elektrodama, elektrolitima, električnim filtrima, laserima i superkonduktorima; raznim medicinskim primjenama i za traganje raznih materijala kako bi se povećala njihova svojstva. Itrij nema nijednu poznatu biološku ulogu, a izlaganje dijelovima itrija može dovesti do bolesti dišnog sustava u ljudi.

Karakteristike

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. 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 () na njegovoj površini. Ovaj sloj doseže debljinu od 10 µm kada se itrij zagrije na 750 °C u vodenoj pari. 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. Itrijev dušik (YN) se stvara kada se metal zagrije do 1000 °C u dušiku.

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

Kemijski, itrij je sličniji tim elementima nego njegov susjed u periodnom sustavu elemenata, skandij, 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.

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

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.

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

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

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

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

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

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. Isparavanje grafitno umetnutog spoja grafita–Y ili grafita– vodi do stvaranja endohedralnih fulerena kao što su Y@C82. Proučavanja elektronske spinske rezonance ukazuju na stvaranje parova Y3+ i (C82)3− iona. Karbidi Y3C, Y2C i YC2 mogu se hidrolizirati kako bi tvorili ugljikovodike.

Nukleosinteza i izotopi 

Itrij je u sunčevom sustavu stvoren zahvaljujući zvjezdane nukleosinteze, većinom putem s-procesa (≈72%), ali također i putem r-procesa (≈28%). 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.

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. Iako 90Y ima kratko vrijeme poluraspada, postoji u sekularnoj ravnoteži sa svojim dugoročnim roditeljskim izotopom, stroncij-90 (90Sr) čije je vrijeme poluraspada 29 godina.

Svi elementi 3. grupa imaju neparan atomski broj, te stoga imaju malo stabilnih izotopa. 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). 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. 89Y 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. 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. 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.

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

Itrij ima najmanje 20 nuklearnih izomera u rasponu masenog broja od 78 do 102. Većina pobuđenih stanja su uočena za 80Y i 97Y. 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.

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

Johan Gadolin sa sveučilišta Åbo je identificirao novi oksid Arrheniusovom uzorku 1789., te je objavio svoju potpunu analizu 1794. Anders Gustaf Ekeberg potvrdio je ovo otkriće 1797. te je nazvao novi oksid yttria. 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). Četvrti oksid, iterbijum(III) oksid, izolirao je 1878. Jean Charles Galissard de Marignac. 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). Narednih desetljeća, nekoliko novih metala je otkriveno u "Gadolinovom itriju". Pošto je itrija ipak bio mineral a ne oksid, Martin Heinrich Klaproth ga je preimenovao u gadolinit u čast gospodinu Gadolinu.

Itrijev metal prvi je izolirao Friedrich Wöhler 1828. kada je zagrijao itrijum(III) hlorid sa kalijom:

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.

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

Pojava

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

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

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.

Postoje četiri glavna izvora za rijetke zemne elemente:
 karbonit i fluorid koji sadrže rude kao što su LREE bastnäsit ([(Ce, La, etc.)(CO3)F]) sadrže prosječno 0,1% itrija u usporedbi sa 99,9% ostalih rijetkih zemnih elemenata. 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.
 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% (ili 3%) 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.
 Ksenotim je fosfat rijetkog zemnog elementa. Njegove rude sadrže 60% itrija i itrijevog fosfata (YPO4). 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.
 glina koja apsorbira iona, tzv. Loognanova glina, je proizvod granita i sadrži 1% rijetkih zemnih elemenata Njene rude mogu sadržavati i do 8% itrija. Takva glina se većinom iskopava u Kini. Itrij se nalazi i u samarskitu i fergusonitu.

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.

Godišnja svjetska proizvodnja itrijeva oksida dosegnula je 600 tona do 2001., a zalihe se procjenjuju na 9 milijuna tona. 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.

Primjene

Potrošači 

Itrijum(III) oksid () 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 :Eu3+ Svjetleći materijali koji daju crvenu boju lampama televizorima u boji, iako se sama crvena boja zapravo emitira iz europijuma dok itrij skuplja energiju elektronskog topa te ga predaje svjetlećem materijalu. 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 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. Kao metal, koristi se na elektrodama nekih svjećica za visoku učinkovitost. itrij se također koristi i za proizvodnju Auerove mrežice za svjetiljke propana kao zamjenu za torijum, koji je radioaktivan.

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

Granati 

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

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

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

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

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). 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. Stoga se koristi u objektivima.

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. 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.<ref>{{cite journal|journal = Cancer Research|volume =64|pages = 6200–6206|year =2004|title = A Single Treatment of Yttrium-90-labeled CHX-A–C6.5 Diabody Inhibits the Growth of Established Human Tumor Xenografts in Immunodeficient Mice|author = Adams, Gregory P. et al.|doi = 10.1158/0008-5472.CAN-03-2382|pmid = 15342405|issue = 17}}
</ref>

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

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

 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. Ovaj supravodič radi na 93 K, što je značajno jer je iznad točke vrenja tekućeg dušika (77,1 K). 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 YBa2Cu3O7–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.

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.

 Mjere opreza 
Spojevi itrija topljivi u vodi se smatraju blago otrovnima, dok njegovi spojevi netopljivi u vodi nisu otrovni. 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.

Izlaganje spojevima itrija izaziva plućne bolesti kod ljudi. 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. Kronično izlaganje spojevima itrija mogu uzrokovati manjak daha, kašljanje, bol u prsima i cijanozu. Nacionalni institut za radnu sigurnost i zdravlje (NIOSH) preporuča dozvoljeno izlaganje od 1 mg/m3 te kritičnu opasnost po život od 500 mg/m3. Itrijeva prašina je također zapaljiva.

 Bilješke 

 Reference 

 Bibliografija 

  
 
 
 
 

 Daljnje čitanje 

 
 

 Vanjske veze 

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

Prelazni metali
Itrijum