釔

釔，是一種化學元素，其化學符號為，原子序數為39，原子量為。釔是銀白色的過渡金屬，化學性質與鑭系元素相近，且常歸為稀土金屬。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，在瑞典伊特比附近發現了一種新的礦石，即矽鈹釔礦，並根據發現地村落的名稱將它命名為「Ytterbite」。約翰·加多林在1789年於阿列紐斯的礦物樣本中，發現了氧化釔。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。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顯示屏的紅色磷光體。釔元素也被用於電極、電解質、電子濾波器、鐳射器和超導體中，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。性質.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、鈧和4族中的下一個元素鋯都要低。由於鑭系收縮現象，釔的電負性和鎦相近。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。4 Y + 3 O2 → 2 Y2O32 Y + N2 → 2 YN與鑭系元素的相似性.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。自然中的釔一定與鑭系元素共同出現在稀土礦中。在化學屬性上，鑭系元素比釔旁邊的鈧更接近釔。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，即位於鑭系元素釓和鉺之間。釔的反應級數也一般在這個區間之內，化學反應活性也與鋱和鏑相近。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。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。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。化合物及反應.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。例如白色、固態的氧化釔(III)就是一種六配位的三價釔化合物。釔可以形成不溶於水的氟化物、氫氧化物和草酸鹽，以及可溶於水的溴化物、氯化物、碘化物、硝酸鹽和硫酸鹽。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。釔及其化合物會和水產生反應，形成Y2O3。濃硝酸和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，產生釔鹽。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。碳、磷、硒、矽和硫在高溫下也都可以和釔形成二元化合物。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。有機釔化合物可以催化某些三聚反應。這些化合物的合成過程都從YCl3開始，而YCl3則是經Y2O3與濃鹽酸和氯化銨進行反應所得。哈普託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哈普託數與d0金屬中心原子進行配位。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。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。Y3C、Y2C和YC2等碳化物在水解後會形成烴。核合成及同位素.太陽系中的釔元素是在恆星核合成過程中產生的，大部份經S-過程。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。在核爆炸和核反應爐中，釔同位素是鈾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。雖然90Y的半衰期短，但它與其母同位素鍶-90，實際半衰期為29年。所有3族元素的原子序都是奇數，所以穩定同位素很少。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衰變特別穩定，所以這種慢速過程使這些同位素能夠保持其較高的豐度。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。其中最不穩定的同位素為106Y，半衰期只有&gt;150納秒；最穩定的則為88Y，半衰期為106.626天。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。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的同位素。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。釔的同核異構體至少有20種，質量數在78和102之間。80Y和97Y的同核異構體超過一個。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。歷史.1787年，同時為陸軍中尉和兼職化學家的卡爾·阿克塞爾·阿列紐斯附近的一處舊採石場發現了一塊黑色大石。他認為這是一種未知礦石，含有當時新發現的鎢元素，並將其命名為「Ytterbite」。樣本被送往多個化學家作進一步分析。奧布皇家學院的約翰·加多林於1789年在阿列紐斯的樣本中發現了一種新的氧化物，並於1794釋出完整的分析結果。安德斯·古斯塔夫·埃克貝格在1797年證實了這項發現，並把氧化物命名為「Yttria」。在安東萬·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」。1843年，卡爾·古斯塔夫·莫桑德，以紀念加多林為發現這些新元素所做出的貢獻。1828年，弗里德里希·維勒把無水三氯化釔和鉀一同加熱，首次產生了釔金屬：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。1987年，科學家發現釔鋇銅氧具有高溫超導性質。它是第二種被發現擁有這種性質的物質，而且是第一種能在氮的沸點以上達到超導現象的物質。存量.豐度.釔元素出現在大部份和某些鈾礦中，但從不以單質出現。釔在地球地殼中的豐度約為百萬分之31，在所有元素中排第28位，是銀豐度的400倍。泥土中的釔含量介乎百萬分之10至150間分之9。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。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。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。在食用植物中，釔的含量在百萬分之20至100之間，其中以捲心菜為最高；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。生產.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。稀土元素共有四種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。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。鈣鎂合金可以把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。應用.日用品.氧化釔可以做摻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映象管中能產生紅光。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。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新增劑。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的聚合反應。一些高效能火花塞的電極以釔金屬作為材料。在丙烷燈網罩的生產過程中，釔可以代替具有放射性的釷元素。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。石榴石.釔可以用來生產各種合成石榴石。釔鐵石榴石晶體可用在白色發光二極體的磷光體中。釔鋁石榴石、氧化釔、氟化釔鋰可以用在近紅外線鐳射器中，可用的摻雜劑包括釹、鉺和鐿。釔鋁石榴石鐳射器能夠在大功率下運作，可應用在金屬鑽孔和切割上。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。材料增強.新增少量的釔可以降低鉻、鉬、鈦和鋯的晶粒度。它也可以增強鋁合金和鎂合金的材料強度。在合金中加入釔，可以降低加工程式的難度，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。釔還能對釩以及其他非鐵金屬進行去氧。氧化釔可以穩定立方氧化鋯的結構，使它適合作為首飾。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。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和玻璃，例如某些照相機鏡頭。醫學.釔-90是一種放射性同位素，被用在及等抗癌藥物中，可治療淋巴癌、白血病、卵巢癌、大腸癌、胰腺癌和等等。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輻射把癌細胞中的DNA產生變異，經過半衰期間內的放射曝露，之後經由生物轉殖的特性，致使癌細胞DNA無法繼續往下轉錄繁衍，一般被仍定為成功的治療，約需經過3-6個月的觀察週期而論。不過釔90仍舊屬於區域性放射療法之一，仍舊可能帶給治療患者不可預期的傷害，例如：急性肝衰竭。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。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。曾有實驗在犬類身上用摻釹的釔鋁石榴石鐳射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。摻鉺的釔鋁石榴石則開始被用在磨皮整容手術上。超導體.1987年，阿拉巴馬大學和休斯頓大學研發了釔鋇銅氧要高。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年被釋出之後，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互動作用相關。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。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。安全性.水溶釔化合物具微毒性，但非水溶化合物則不具毒性。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，產生肺水腫和呼吸困難，吸入氯化釔後則有肝性水腫、胸腔積液及肺充血等症狀。釔化合物對人類可引致肺病。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。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。美國國家職業安全衛生研究所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」。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。書目.