Ütrium

Ütrium on keemiline element Mendelejevi tabelis aatomnumbriga 39 ja sümboliga Y. See on hõbeda-metallilise läikega siirdemetall, keemiliselt sarnane lantanoididega ning see liigitatakse sageli haruldaseks muldmetalliks. Aastal 1787 leidis Carl Axel Arrhenius Ytterby lähedalt Rootsist uue mineraali ja pani sellele küla järgi nime ytterbite. Johan Gadolin avastas Arrheniuse proovist 1789. aastal ütriumoksiidi, ja Anders Gustaf Ekeberg nimetas selle yttria'ks. Ütriumi kui elemendi eraldas esimesena 1828. aastal Friedrich Wöhler. Seda metalli kasutatakse eelkõige fosfooride valmistamiseks. Näiteks punaseid fosfoore kasutatakse telerite kineskoopides (CRT), kuvarites ja LED-ekraanides. Rootsi armee leitnant, keemik ja kirglik kollektsionäärmineroloog Karl Arrhenius otsustas veeta 1787. aasta juuli väikeses külas Ytterbys Stockholmi lähedal. Vana mahajäetud karjäär Ytterby ümbruses oli Arrheniuse peamiseks mineraloogiliste uurimiste kohaks. Puhkus ei möödunud kasutult. Vanast karjäärist leidis Karl Arrhenius tolle ajani tundmatu uue mineraali. See oli raske must kivi, mis väliselt meenutas kivisütt. Leitnant Arrhenius vaatles rõõmuga päikesekiirtes tuhmilt helkivat musta kivi. Sel ajal ta ei osanud oletadagi, et tema käes on mineraal, mis on keemias kõige huvitavamate haruldaste muldmetallide ajaloo aluseks. Tundes suurt rõõmu, sattus Arrhenius uuele mineraalile nime otsides segadusse. Lõpuks nimetas ta mineraali küla järgi üterbiidiks. Üterbiit oli tähtsal kohal Karl Arrheniuse kogus. Seitse aastat hiljem sattus üterbiidi proov tuntud soome keemiku Johan Gadolini kätte. Uurinud hoolikalt saadud mineraali, avastas Gadolin uue, tundmatu elemendi oksiidi. See oksiid meenutas teatud omaduste poolest kaltsiumoksiidi ja sarnanes ka alumiiniumoksiidiga. Kolm aastat pärast Gadolini analüüse kinnitas Uppsala ülikooli keemiaprofessor A. Ekeberg üterbiidi teistkordsel analüüsil Gadolini arvamust. Ekebergi ettepanekul nimetati tundmatu elemendi oksiid ütriumimullaks, mineraal aga Gadolini auks, kes esimesena üterbiiti hoolikalt analüüsis, gadoliniidiks. 1825. aastal õnnestus Friedrich Wöhleril ütriumimulla töötlemisel klooriga ja uue elemendi üleviimisel klooriühendiks metallilise naatriumi abil eraldada ütriumkloriidist uus metall. Kuna ütrium kuulub keerukate ja maakoores hajutatud mineraalide koostisse, polnud seda lihtne kätte saada. Teda on erakordselt raske mineraalidest eraldada, kuna tema keemilised omadused on teiste elementide omadega väga sarnased. Kuna ütrium ei leidnud tehnikas praktilist kasutamist ja tema järele polnud väga suurt nõudmist, pidurdas see ütriumi tootmist mineraalidest. Ütrium on pehme, hõbedaselt metallik, läikiv ja väga kristalliline siirdemetall 3. rühmas. Nagu võib järeldada perioodiliste suundumuste kaudu, on ütrium vähem elektronegatiivne kui temale eelnev metall skandium ja elektronegatiivsem kui temale järgnev metall lantaan. Ütrium on esimene d-rühma element viiendas perioodis. Keemiliselt sarnaneb ütrium lantanoididega ning seda liigitatakse sageli haruldaseks muldmetalliks. Looduses pole kunagi leitud ütriumit puhta elemendina, alati on see seotud lantanoididega. Puhas element on õhus suhteliselt stabiilne pakitud kujul, sest pinnale tekib kaitsev oksiidi (Y2O3) kiht. See kiht võib olla kuni 10 µm paksune, kui ütriumi kuumutatakse temperatuuril 750 °C veeauru keskkonnas. Kuid peenestatud ütrium on siiski õhus väga ebastabiilne; laastud või keerdkäigud metallis võivad süttida õhus temperatuuril üle 400 °C. Ütriumnitriid (YN) on moodustunud, kui metalli kuumutatakse temperatuuril 1000 °C lämmastiku keskkonnas. Sarnasus ütriumi ja lantanoidide vahel on nii suur, et elementi on läbi aegade liigitatud koos nendega haruldaste muldmetallidega samasse rühma ja looduses leidub ütrium alati koos lantanoididega muldmetallide mineraalides. Keemiliselt meenutab ütrium neid elemente rohkem kui skandium, tema naaber perioodilisustabelis. Kui füüsikalised omadused panna sõltuma aatomnumbrist, siis oleks see number 64,5–67,5, mis tähendab, et ütrium kuuluks lantanoidide gadoliiniumi ja erbiumi vahele. Ütrium on suuruselt väga lähedal nn ütriumi rühma kuuluvate raskete lantanoidide ioonidele lahuses, seetõttu käitub nii, nagu oleks üks neist. Kuigi lantanoidid asuvad perioodilisustabelis üks rida allpool kui ütrium, võib sarnasus aatomi raadiuse vahel olla tingitud lantanoidide kokkutõmbumisest. Üks vähestest olulistest erinevustest ütriumi ja lantnoidide vahel on see, et ütrium on peaaegu eranditult kolmevalentne, kuid ligikaudu poolel lantanoididest võib olla muu valentsolek kui kolm. Kolmevalentse siirdemetallina moodustab ütrium mitmesuguseid anorgaanilisi ühendeid, tavaliselt oksüdeernud olekusse +3, loovutades kõik oma kolm valentselektroni. Hea näide on ütrium(III)oksiid (Y2O3), tuntud ka kui ütriumoksiid. Ütrium moodustab vees lahustumatut fluoriidi, hüdroksiidi ja oksalaati, kuid selle bromiid, kloriid, jodiid, nitraat ja sulfaat on kõik vees lahustuvad. Y3+ ioon on lahuses värvitu, sest d- ja f-orbitaalidel puuduvad elektronid. Vesi reageerib kergesti ütriumi ja selle ühenditega, moodustades Y2O3. Kontsentreeritud lämmastikhape ja vesinikfluoriidhape reageerivad ütriumiga aeglaselt, kuid ülejäänud tugevad happed suhteliselt kiiresti. Halogeniididega moodustab ütrium trihalogeniide, nagu ütrium(III)fluoriid (YF3), ütrium(III)kloriid (YCl3) ja ütrium(III)bromiid (YBr3) temperatuuril veidi üle 200 °C. Sarnaselt moodustavad binaarseid ühendeid kõrgematel temperatuuridel ütriumiga ka süsinik, fosfor, seleen, räni ja väävel. Organoütriumkeemia uurib ühendeid, mis sisaldavad süsinik-ütriumsidemeid. Mõnedes neist on teadaolevalt ütrium oksüdeerunud olekusse 0 (+2 olekut on täheldatud kloriidide sulamites ja +1 olekut oksiidi klastrites gaasifaasis). Päikesesüsteemi loodi ütrium tähe tuumasünteesi kaudu, peamiselt s-protsess (72%), aga ka r-protsess (28%). R-protsess koosneb kiirest neutronite püüdmisest kergematelt elementidelt supernoova plahvatse ajal. S-protsess on aeglane neutronite püüdmine kergematelt elementidelt pulseerivate punaste hiidtähtede seest. Ütriumi isotoobid on kõige levinumad saadused uraani tuuma lõhustumisel, mis esinevad tuumaplahvatustes ja tuumareaktorites. Seoses tuumajäätmete käitlemisega on kõige olulisemad ütriumi isotoobid 91Y ja 90Y, mille poolestusaeg on vastavalt 58,51 päeva ja 64 tundi. Kuigi 90Y-l on lühike poolestusaeg, eksisteerib ta tänu tema vanemisotoobile strontsium–90 (90Sr), mille poolestusaeg on 29 aastat. Ütriumi ainus stabiilne isotoop on 89Y, on ka ainuke looduslikult esinev isotoop. Täheldatud on vähemalt 32 ütriumi sünteetilist isotoopi, aatommassi vahemikus 76–108. Kõige vähem stabiilne on 106Y, mille poolestusaeg on >150 ns (76Y poolestusaeg on >200 ns) ja kõige stabiilsem on 88Y poolestusajaga 106,626 päeva. Peale isotoopide 91Y, 87Y ja 90Y, vastavalt poolestusaegadega 58,51 päeva, 79,8 tundi ja 64 tundi, on ülejäänud isotoopide poolestusaeg lühem kui üks päev. Ütriumit leidub enamikus haruldaste muldmetallide mineraalides, samuti mõnedes uraanimaakides, kuid kunagi ei ole leitud seda looduses kui vaba elementi. Umbes 31 ppm maakoorest on ütrium, millega on ta rohkuselt 28 element, 400 korda tavalisem kui hõbe. Mullas on ütriumit leitud kontsentratsioonides 10–150 ppm ja merevees 9 ppt. Ütriumi bioloogiline roll pole täpselt veel teada, kuigi seda on leitud enamikust, kui mitte kõigist organismidest, kus kipub koonduma maksa, neerudesse, põrna, kopsudesse ja inimeste luudesse. Terve inimese kehast on leitud ligikaudu 0,5 milligrammi; inimese rinnapiim sisaldab 4 ppm. Ütriumit võib leida ka söödavate taimede koostisest, kus selle kontsentratsioon jääb vahemikku 20–100 ppm. Ütriumit kasutatakse eelkõige fosfooride valmistamiseks, näiteks punaseid fosfoore kasutatakse telerite kineskoopides (CRT), kuvarites ja LED-ekraanides. Muud kasutusviisid hõlmavad elektroodide, elektrolüütide, elektrooniliste filtrite, laserite ja ülijuhtide tootmist. Samuti mitmesugustes meditsiinilistes rakendustes ja materjalide tootmisel, et parandada nende omadusi. Ütriumi bioloogiline roll pole teada. Kokkupuuted ütriumi ühenditega võivad põhjustada inimestel kopsuhaigusi. Ütriumit kasutati ütrium-baarium-vaskoksiidi (YBa2Cu3O7, teise nimega YBCO või 1–2–3) ülijuhi väljatöötamisel Houstoni ja Alabama ülikoolis aastal 1987. Selline ülijuht töötab 93 K juures, mis on väga tähelepanuväärne, sest see on suurem vedela lämmastiku keemistemperatuurist (77,1 K). Kuna vedela lämmastiku hind on madalam kui vedela heeliumi oma, mida tavaliselt kasutatakse metallilistes ülijuhtides, siis tootmiskulud väheneksid oluliselt. Tegelik ülijuhtiv materjal on sageli kirjutatud YBa2Cu3O7-d, kus d peab olema väiksem kui 0,7, et materjal oleks ülijuht. Selle põhjus ei ole veel selge, kuid on teada, et vabanemised toimuvad ainult kristallis teatud kohtades. Vees lahustuvaid ütriumiühendeid peetakse kergelt mürgisteks, samas selle lahustumatud ühendid on mittetoksilised. Loomade peal tehtud katsed on näidanud, et ütrium ja selle ühendid põhjustavad kopsu- ja maksakahjustusi, kuigi toksilisus varieerub sõltuvalt ühendist. Ütriumtsitraadi sissehingamine põhjustas rottidel kopsuturset ja hingeldamist, kuid ütriumkloriid põhjustas hoopis maksaturse. Kokkupuude ütriumiühenditega võib põhjustada õhupuudust, köha, valu rinnus ja tsüanoosi. Ütriumitolm on tuleohtlik. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press. a b c d e Van der Krogt 2005 CRC contributors (2007–2008). "Yttrium". In Lide, David R.. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 4. New York: CRC Press. p. 41. ISBN 978-0-8493-0488-0. Daane 1968, p. 817 Emsley 2001, p. 498 Daane 1968, p. 810 Daane 1968, p. 815 Greenwood 1997, p. 1234 Greenwood 1997, p. 948 Cloke, F. Geoffrey N. (1993). "Zero Oxidation State Compounds of Scandium, Yttrium, and the Lanthanides". Chem. Soc. Rev. 22: 17–24. doi:10.1039/CS9932200017. Schumann, Herbert; Fedushkin, Igor L. (2006). "Scandium, Yttrium & The Lanthanides: Organometallic Chemistry". Encyclopedia of Inorganic Chemistry. doi:10.1002/0470862106.ia212. ISBN 0470860782. Nikolai B., Mikheev; Auerman, L N; Rumer, Igor A; Kamenskaya, Alla N; Kazakevich, M Z (1992). "The anomalous stabilisation of the oxidation state 2+ of lanthanides and actinides". Russian Chemical Reviews 61 (10): 990–998. Bibcode 1992RuCRv..61..990M. doi:10.1070/RC1992v061n10ABEH001011. Kang, Weekyung; E. R. Bernstein (2005). "Formation of Yttrium Oxide Clusters Using Pulsed Laser Vaporization". Bull. Korean Chem. Soc. 26 (2): 345–348. doi:10.5012/bkcs.2005.26.2.345. Pack, Andreas; Sara S. Russell, J. Michael G. Shelley and Mark van Zuilen (2007). "Geo- and cosmochemistry of the twin elements yttrium and holmium". Geochimica et Cosmochimica Acta 71 (18): 4592–4608. Bibcode 2007GeCoA..71.4592P. doi:10.1016/j.gca.2007.07.010. NNDC contributors (2008). "Chart of Nuclides". In Alejandro A. Sonzogni (Database Manager). Lenntech contributors. "yttrium". Lenntech. Retrieved 2008-08-26. Emsley 2001, p. 497 MacDonald, N. S.; Nusbaum, R. E. and Alexander, G. V. (1952). "The Skeletal Deposition of Yttrium" (PDF). Journal of Biological Chemistry 195 (2): 837–841. PMID 14946195. Emsley 2001, p. 495 a b c d e f g h Cotton, Simon A. (2006-03-15). "Scandium, Yttrium & the Lanthanides: Inorganic & Coordination Chemistry". Encyclopedia of Inorganic Chemistry. doi:10.1002/0470862106.ia211. ISBN 0470860782. a b c d e f g OSHA contributors (2007-01-11). "Occupational Safety and Health Guideline for Yttrium and Compounds". United States Occupational Safety and Health Administration. Retrieved 2008-08-03. (public domain text)